Un’ingegnera che costruisce macchine per capire l’universo

Al CERN una trentina di tecnici testano magneti giganti superconduttori, operativi a temperature vicino allo zero assoluto. Bill Harby. © All rights reserved without written permission

Lei non è uno dei vantati fisici del CERN, che formulano teorie su ciò che è successo un nanosecondo dopo il Big Bang. Ma senza ingegneri come Marta Bajko, che lavorano sui magneti giganti del "grande collisore di adroni" (LHC), quei fisici non sarebbero in grado di testare le loro teorie.

Nei concerti rock ci sono le star, che producono la musica, e ci sono i roadie, ossia i tecnici, che fanno in modo che la musica sia prodotta, accordando gli strumenti, collegando e accendendo amplificatori e altoparlanti.

Le rockstar del CERNCollegamento esterno – l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, con sede a Ginevra – sono i fisici delle particelle. Attirano la maggior parte dell’attenzione, quando il CERN scopre una nuova particella subatomica che ci aiuta a capire come era probabilmente l’universo alla nascita e di cosa è composto oggi.

Ma senza gli ingegneri che progettano, costruiscono e provano le complesse macchine e gli strumenti che inviano quelle particelle che si scontrano (intenzionalmente) tra loro, a una velocità quasi pari a quella della luce, la matematica rimarrebbe “solo” equazioni teoriche.

Marta Bajko in quello che lei chiama il suo “parco giochi”. Bill Harby. © All rights reserved without written permission

Magneti giganti

Continuando con l’analogia rock, Marta Bajko sarebbe una roadie. Quando recentemente abbiamo visitato il CERN con lei, tuttavia, non indossava né tuta né camice da laboratorio, ma un abito dai motivi piuttosto psichedelici, calze viola e un bracciale in filo coi colori dell’arcobaleno realizzato da sua figlia di sette anni.

Come capo sezione presso la struttura di test dei magneti superconduttori del CERN, l’SM-18, Marta Bajko, insieme al suo team di una trentina di ingegneri e tecnici, effettua test con i magneti giganti che operano attorno allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius) per raggiungere la superconduttività (nessuna resistenza elettrica). Alcuni di questi magneti sono stati progettati per deviare i protoni intorno al grande collisore di adroni circolare del CERN, lungo 27 chilometri.

L’LHC ha 1’232 grandi magneti dipolo che dirigono miliardi di protoni al secondo intorno al collisore prima di scontrarsi, lasciando tracce di particelle subatomiche ancora più piccole – come il famoso bosone di Higgs, ciò che spiega perché l’universo ha massa.

“Il nostro primo ruolo è la diagnostica”, dice Marta Bajko. “Riceviamo un magnete e lo testiamo, cercando di capire cosa funziona bene e cosa non funziona. Dopo che i nostri colleghi hanno fatto le modifiche necessarie, testiamo il progetto finale”. Solo dopo che tutti i test hanno superato le prove, il magnete è approvato per l’installazione.

Quando viene testato un nuovo progetto di magnete, l’intero processo – dal test iniziale al perfezionamento, al re-testing, al ri-raffinamento e all’OK finale dopo l’installazione – può richiedere anni. Ad esempio, il team di Marta Bajko ha iniziato a lavorare alla progettazione di nuovi magneti per l’aggiornamento dell’LHC ad alta luminosità nel 2008. Ma il primo prototipo sarà testato solo quest’anno, con l’installazione dei magneti finali, prevista nel 2025.

Marta Baiko è nata a Gheorgheni, in Romania. Ha studiato nel suo Paese e a Budapest, in Ungheria. Come quasi tutti i membri del CERN, è poliglotta (ungherese, romeno, spagnolo, francese, inglese, italiano). Il suo primo lavoro al di fuori dell’università è stato a Madrid, al CEDEXCollegamento esterno. È lì che ha trovato i due amori della sua vita: l’ingegneria criogenica e suo marito, Juan Carlos Perez, pure lui ingegnere al CERN.

Applicazioni nel mondo reale

Una componente cruciale dei grandi magneti superconduttori del CERN, che misurano 15 metri di lunghezza e pesano 27 tonnellate, sono i cavi avvolti con fili in lega di niobio-titanio (NbTi) o niobio-stagno (Nb3Sn). Queste leghe sono dei conduttori elettrici eccezionalmente efficienti alle temperature estremamente fredde che consentono la superconduttività.

I fili e cavi piatti possono anche essere molto belli, osserva l’ingegnera, confidandoci che un giorno le piacerebbe fare gioielli con questo filo. Sulla scrivania ha un vaso con un bouquet gonfiabile composto di fili di NbTi, cavi e nastri a spirale metallici, insieme a fibre ottiche verdi.

Cosa trova più gratificante nel suo lavoro? A rischio di deludere i fanatici della scienza pura, non è la scoperta di particelle esoteriche subatomiche che compongono l’universo. “È così distante per me”, afferma. Cita invece le “applicazioni reali della criogenia, della superconduttività e dei magneti”. Ad esempio, lo sviluppo di tecnologie mediche come le macchine per la risonanza magnetica per immagini (RMI) deve molto al lavoro svolto al CERN.

Giocare e lavorare insieme

Come capo sezione, Marta Bajko trascorre parte del suo tempo in ufficio, in riunioni e su schemi ed equazioni, ma ama stare in quello che lei chiama il suo “parco giochi”: l’area test dell’SM-18, che è di circa 2’500 metri quadrati, con grandi macchine e strumenti diagnostici di metallo verniciati con colori sgargianti. Per alcune prove, i lunghi magneti sono disposti su un “banco criogenico” dove sono alimentati per vedere se le molte centinaia di parti funzionano bene insieme. Ogni magnete è anche messo in un dispositivo, che l’ingegnere chiama il “più grande thermos del mondo”, per ulteriori test criogenici.

Una batteria di test su un singolo magnete può durare più di due mesi. Mentre il test progredisce a temperature sempre più basse, il magnete “si allena”, spiega. “Impara” e ha una “memoria”. Con una sottile regolazione, i test successivi si avvicinano alle progettate prestazioni del magnete a temperature vicine allo zero assoluto.

Una delle sfide più formidabili per gli ingegneri di magneti superconduttori è fabbricare componenti magnetiche a temperatura ambiente che devono funzionare a quasi -300 gradi C. È come immaginare di costruire un motore per auto in una fabbrica calda, che deve però funzionare a temperature più fredde di quelle all’esterno.

“Mi stupisce ancora che nell’LHC, tutte queste persone e parti, nessuna più importante delle altre, lavorino tutte insieme”, commenta Marta Baiko.

Allora, come lavorano insieme i fisici rock star e gli ingegneri roadie? L’ingegnera sorride. “I fisici sono un po’ sognatori”, dice. Secondo la sua esperienza, spesso, i fisici non considerano le difficoltà di costruire una macchina complessa che forse non è mai esistita prima, ma di cui hanno assolutamente bisogno per dimostrare (o smentire) le loro teorie. A volte non considerano neppure i costi di progettazione e di costruzione di una macchina di questo tipo. Queste preoccupazioni ricadono sugli ingegneri, che spiegano ai fisici (e ai sorveglianti del bilancio) ciò che lei chiama “la fattibilità della fabbricazione”.

Forse questa è la grande sfida e la ricompensa di esplorare la fisica subatomica come ingegnere di magneti criogenici – o come qualsiasi tipo di ingegnere. “Il mio lavoro non è solo sulla carta o su uno schermo, ma in questa installazione che posso vedere, posso toccare. E che funziona”.

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(Traduzione dall’inglese: Sonia Fenazzi)