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Edificio di FAULHABER France SAS, Montigny-le-Bretonneux, France

FAULHABER France SAS

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Dr. Milady Horákové 185/66

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Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti

L'uomo è in grado andare sulla Luna e inviare sonde fino ai confini del sistema solare e oltre. Tuttavia, riusciamo a spingerci solo poche migliaia di metri sotto la crosta terrestre. Per esplorare le viscere del pianeta, quindi, dobbiamo ricorrere a metodi indiretti. La sismologia, termine derivante dal greco seismós che significa scossa tellurica, studia le vibrazioni causate dai movimenti delle placche continentali. Per arrivare a conclusioni su cosa succeda all’interno della Terra, se ne analizza la propagazione, proprio come si sfruttano gli ultrasuoni per visualizzare l’immagine di un bebè nel grembo materno. È relativamente facile misurare un «vero» terremoto quando è percepibile anche senza l'uso di strumenti. Le vibrazioni sono intense e il segnale è sufficientemente netto e rilevabile anche dai sensori meno sensibili.

Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti
Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti
Il pendolo rimane in posizione di equilibrio bilanciata.

La questione è invece più complessa quando i movimenti sono minimi, come nel moto ondoso, presente sotto forma di attività microsismica su tutta la superficie terrestre. In questo caso, il sismometro tradizionale non è di alcuna utilità. È formato essenzialmente da una massa sospesa, il pendolo, collegata a una molla. Un pennino fissato alla massa in sospensione che, nel momento in cui si verificano delle vibrazioni, traccia una serie di curve su una bobina continua di carta. Lo spostamento del pennino indica l'intensità delle vibrazioni, tuttavia solo entro i bordi della bobina. D'altra parte, la sensibilità è limitata dallo spessore del pennino: ogni deviazione minima inferiore alla larghezza della linea tracciata non è più distinguibile in modo chiaro. Ciò corrisponde a una dinamica di circa 60 dB.

Un foglio di carta largo 18 chilometri

Per superare tali limitazioni, circa 35 anni fa il futuro geofisico Gunar Streckeisen sviluppò il cosiddetto sismometro a banda larga STS-1 presso il Politecnico federale di Zurigo (ETH), sotto la guida di Erhard Wielandt, durante la stesura della sua tesi. Successivamente, fondò a Winterthur la Streckeisen AG, azienda costruttrice e distributrice di questi dispositivi in tutto il mondo. Quest'invenzione segnò la fine dell'epoca dei sismometri classici. Allora, Erhard Wielandt era il volano della moderna tecnologia di misurazione dell’attività sismica.

Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti
Alla fine dell'operazione di centraggio, il dente della massa utilizzata per la regolazione rimane fra i fianchi dei denti della vite, senza toccarli.
Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti

Il pendolo rimane in posizione di equilibrio bilanciata

L'unico aspetto che accomuna un sismometro a banda larga e il suo più tradizionale predecessore è il pendolo in movimento, che reagisce alle forze esterne. Il pennino non è più necessario, anche perché traccerebbe sempre una linea retta. Il trucco che permette al sismometro di Streckeisen di avere un range dinamico così ampio sta nel tracciamento: un sistema di feedback elettromagnetico assicura che il pendolo rimanga sempre nella posizione di equilibrio prevista. «Il funzionamento è quello di una bilancia elettronica», spiega Robert Freudenmann, amministratore delegato di Streckeisen. «Il segnale di correzione necessario al tracciamento corrisponde allo stesso tempo al segnale di uscita. Quanto è più forte il movimento che agisce sul dispositivo, tanto è maggiore il segnale: in questo modo, il pendolo rimane sempre al centro.» Sfruttando un principio di misurazione di questo tipo, è possibile ottenere valori dinamici fino a 145 dB, che corrispondono a un foglio della larghezza di 18 chilometri.

Per registrare i movimenti della Terra in tutte e tre le dimensioni, ogni sismometro è dotato di tre pendoli. Questi sono collocati in posizione leggermente inclinata e sono disposti in cerchio con uno sfalsamento di 120 gradi. La loro reazione varia a seconda della direzione della forza e in base alle differenze è possibile elaborare l’immagine tridimensionale delle variazioni nello spazio.

Bilanciamento ogni dieci anni

Una volta installato, il sistema elettromeccanico ad alta precisione funziona in modo automatico e non richiede più l’intervento dell’uomo per un lungo periodo di tempo. Prima della messa in funzione, è indispensabile eseguire un allineamento del sismometro e un bilanciamento del pendolo perfetti. «Tradizionalmente, i sismometri sono sempre stati orientati ad est», spiega Robert Freudenmann. «Il bilanciamento dei pendoli avviene spostando una massa mobile sui pendoli fino a quando non sono perfettamente in equilibrio. La massa è rappresentata da un anello dentato, che si sposta avanti e indietro ruotando intorno a un asse. Il movimento è reso possibile da una vite posizionata perpendicolarmente rispetto all’anello. Nell’anello dentato e nella vite è presente un minimo gioco. Quando viene raggiunto l’equilibrio perfetto, il dente della massa usata per la regolazione rimane fra i fianchi dei denti della vite; così il pendolo rimane libero di muoversi».

Motori passo-passo nei sismometri a banda larga rilevano i nanomovimenti
Stazione sismica GSN QSPA al Polo Sud, Antartide. La costruzione di questa stazione ha richiesto la realizzazione di fori di trivellazione nel ghiaccio a una profondità di circa 300 metri. Nella foto, i trivellatori incaricati da NSF che effettuano il carotaggio nel ghiaccio presso il sito QSPA (a circa 8 chilometri dal Polo Sud).

Affidabilità a lungo termine

Questa procedura, nota fra gli esperti come centraggio, viene eseguita da un motore passo-passo AM0820 con riduttori planetari 16:1 di FAULHABER. Il motore deve soddisfare i numerosi requisiti di alta qualità previsti dall’applicazione: dimensioni compatte, consumo di corrente ridotto, precisione di movimento e insensibilità alle basse temperature: i dispositivi Streckeisen, infatti, sono impiegati anche nell'Alaska settentrionale e vicino al Polo Sud. Tuttavia, la caratteristica più importante è l’affidabilità a lungo termine: «Per le misurazioni di lungo periodo si sceglie una località in cui le condizioni ambientali risultino molto stabili», chiarisce Robert Freudenmann. «In casi estremi, può avvenire che la prima operazione di bilanciamento del pendolo sia effettuata prima della messa in funzione, mentre la seconda soltanto dieci anni più tardi. Il motore, quindi, deve essere in grado di eseguire nuovamente il compito con precisione anche dopo un lungo periodo di inattività. Sappiamo che i motori FAULHABER sono in grado di farlo.»

Camera in calcestruzzo gonfiato

Non tutti i dispositivi sono utilizzati per misurazioni a lungo termine. Nelle cosiddette misurazioni ad array, più sismometri vengono disposti a griglia all’interno di una determinata area allo scopo di registrare le particolari caratteristiche del sottosuolo in quel punto. Al termine delle misurazioni, che possono durare alcuni mesi o anni, la griglia viene rimossa e i dispositivi trasferiti alla stazione successiva. Gli Stati federali degli USA, ad esempio, vengono misurati uno dopo l’altro con questa modalità. Per sensori così sensibili, però, l’inevitabile trasporto rappresenta un momento delicato. Per evitare che si danneggino, le parti mobili vengono bloccate con un fermo per il trasporto. A questo provvede il quarto motore del sismometro Streckeisen, un micromotore DC a spazzole 0816P006S. «Nella pratica, FAULHABER è in grado di fornirci motori passo-passo e micromotori con specifiche adeguate e di alta qualità», sottolinea Robert Freudenmann.

I moderni sismometri di Streckeinsen sono più piccoli e facili da configurare rispetto alla prima generazione. Una nuova variante, dotata di alloggiamento tubolare, può essere calata all'interno di fori di trivellazione. L'installazione avviene sempre mediante un certosino lavoro manuale. È possibile controllare se i componenti interagiscono con la necessaria precisione solo alla fine. Pertanto, ogni sensore è sottoposto ad approfonditi test condotti in un rifugio antiaereo per verificare, fra l'altro, l'insensibilità alle oscillazioni della pressione atmosferica. Un ventilatore soffia aria all'interno di una camera circondata da uno strato spesso di calcestruzzo, «gonfiandolo». «Si stenta a crederlo, ma la maggiore pressione atmosferica riesce a modificare l’ambiente, anche se solo di pochi nanometri», chiarisce Robert Freudenmann. «I nostri dispositivi riescono a rilevare tale variazione. Se un dispositivo presentasse una perdita, riceveremmo un segnale differente. Con test come questi, ci assicuriamo che vengano consegnati solo sismometri perfettamente funzionanti, in grado di registrare con accuratezza ciò che avviene nel cuore della Terra».

Motori passo-passo
AM0820
Bifase, 20 passi per giro
Scheda tecnica (PDF)
Caratteristiche principali
Diametro:
6 ... 66 mm
Lunghezza:
9.5 ... 42 mm
Passo angolare (full step):
18 °
Coppia statica:
0.25 ... 307 mNm
Dettagli prodotto

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