Laboratorio e Tecnologie per l’Optometria

Caratterizzazione criogenica e dinamica di componenti ottiche per missioni spaziali

Il gruppo EXOPA dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo è impegnato nello sviluppo e nella qualifica di tecnologie ottiche e termo-meccaniche all’avanguardia per missioni spaziali. Queste attività uniscono competenze di astrofisica, fisica sperimentale, ingegneria meccanica e ottica, posizionando il gruppo EXOPA come un riferimento strategico a livello nazionale per la qualifica di componenti ottici aerospaziali.

Attualmente, il focus primario è rivolto al contributo italiano alla missione ESA Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey), che avrà il compito di studiare le atmosfere di circa mille esopianeti.

Le attività del Gruppo EXOPA

Per raggiungere questi ambiziosi obiettivi, il gruppo porta avanti filoni di indagine e test altamente specializzati:

Struttura criogenica e test ottici: Presso i laboratori INAF-OAPA è stata realizzata una nuova facility, ottenuta dall’upgrade della beamline XACT. Unica nel panorama nazionale, consente di simulare le condizioni estreme dello spazio (vuoto spinto 10^-8 mbar e temperature criogeniche di circa 140 K) per testare componenti di grandi dimensioni, come lo specchio primario in alluminio M1 di Ariel (diametro di 1 metro). Attraverso misure interferometriche ad alta precisione, si caratterizzano le deformazioni termo-elastiche della superficie ottica per validare i modelli predittivi e contribuire a ridurre i rischi (de-risking) del telescopio prima del lancio.

In alto: Vista dello specchio primario M1 di Ariel installato all’interno della camera a vuoto criogenica prima dei test criogenici. In basso: Confronto delle misurazioni interferometriche dell’errore di superficie (SFE) tra il Modello Strutturale (SM) e il Modello Ingegneristico (EM) dello specchio primario M1 di Ariel.

Caratterizzazione meccanica dei rivestimenti: Parallelamente, è stata sviluppata una metodologia sperimentale non distruttiva basata sull’analisi modale per caratterizzare le proprietà meccaniche dei rivestimenti in Nichel-Fosforo (Ni-P) applicati sugli specchi in alluminio. Questa tecnica consente di estrarre i parametri elastici del coating (densità, modulo di Young, coefficiente di Poisson), validare i modelli FEM (Finite Element Method) e verificare la presenza di eventuali effetti anisotropi o difetti indotti dai cicli termici, garantendo così l’affidabilità e le prestazioni ottiche degli strumenti nello spazio.

Specchio in alluminio

In alto: Dati sperimentali FRF acquisiti da un campione di specchio in alluminio.
In basso: Si osserva un eccellente accordo tra le previsioni FEM e i dati sperimentali per i primi tre modi vibrazionali.

Misure di riflettività assoluta: Infine, grazie alle collaborazioni con il CNR di Padova, è stato messo a punto un sistema per la misura assoluta della riflettività di specchi di grandi dimensioni, utilizzando una sfera integratrice e una configurazione ottica personalizzata. Questo setup consente di effettuare misure direttamente sulla superficie rivestita del modello ingegneristico dello specchio primario M1 di Ariel, fornendo un benchmark indipendente per i modelli ottici e confermando la fattibilità di una caratterizzazione in-situ.

Referenze principali

“Development of a cryogenic test facility for Ariel’s primary mirror”, D’Anca,Collura, Cardinale et al. (2026) – Procedings SPIE – under review
“Non-destructive dynamic characterization of thin Ni-P coatings on Ariel AW6061-T651 mirrors using modal analysis”, Cardinale, Collura, D’Anca et al. (2026) – Procedings SPIE – under review
“Exodus: A mission proposal to explore exoplanet evolution through understanding atmospheric escape” [LINK AL PAPER], Rosete, Dasi, Boyd, Kahle, Cardinale, et al. (2026). Advances in Space Research, 77(5), 6564-6583.
“Single-point diamond turning optimization for the Ariel M1 large off-axis parabolic aluminum mirror”, Lilli, Scippa, …D’Anca,Cardinale, Guerriero et al. (2026) – Procedings SPIE – under review
“The Ariel telescope assembly: technical solutions and tests of an aluminum-based telescope”, Picchi, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al. (2026) – Procedings SPIE – under review
“Absolute reflectivity measurement for large telescope mirrors: setup and first insights”, Chioetto, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al. (2026) – Procedings SPIE – under review
“Ariel payload STOP analysis: updated results on the in-flight operational cases for the telescope assembly”, Brucalassi, Araiza-Durán,….D’Anca, Cardinale et al. (2026) – Procedings SPIE – under review

Collaborazioni nazionali e internazionali

Le attività di sviluppo e qualifica della strumentazione spaziale richiedono una stretta sinergia tra ricerca, mondo accademico e settore industriale. Per questo motivo, il gruppo opera all’interno di un’ampia e consolidata rete di collaborazioni strategiche a livello nazionale e internazionale. Questo ecosistema coinvolge le principali agenzie spaziali, istituti di ricerca di eccellenza e aziende leader nell’alta tecnologia per la manifattura e validazione dei componenti.

Ariel Telescope Assembly Team (contributo italiano)
MetaLAB (INAF-OAPA)
Università di Firenze (DII/DFA)
CNR-IFN Padova
INAF-Osservatorio Astronomico di Arcetri
Università La Sapienza di Roma
Laboratori BS, Media Lario S.r.l. e LT Ultra-Precision Technology GmbH per la manifattura di componenti e specchi
Leonardo SpA
ASI (Agenzia Spaziale Italiana)
ESA (European Space Agency)
RAL (Rutherford Appleton Laboratory)

Persone

	Vincenzo Davide Cardinale Tecnologo Email: vincenzo.cardinale @inaf.it ORCID: 0009-0007-7885-7708		Fabio D’Anca Tecnologo Email: fabio.danca @inaf.it ORCID: 0000-0001-7834-5760
	Elisa Guerriero Ricercatore Email: elisa.guerriero @inaf.it ORCID: 0000-0002-6586-0621		Alberto Gulizzi Tecnico di Laboratorio Email: ORCID:
	Andrea Meduri Tecnico di laboratorio Email: ORCID:		Claudio Saitta Tecnico di laboratorio Email: ORCID:
	Luisa Sciortino Tecnologo Email: luisa.sciortino @inaf.it ORCID: 0000-0002-4725-357X