Come costruire e usare un radiotelescopio

Quando gli astronomi studiano il cielo, non guardano solo la luce delle stelle. Stelle, pianeti e nebulose brillano in tutto lo spettro elettromagnetico e la luce che gli occhi umani possono vedere è solo una parte ristretta di esso. Gli astronomi usano radiotelescopi giganti per osservare oggetti fortemente radio emittenti, quali buchi neri e galassie distanti. Con un radiotelescopio auto costruito, è tuttavia possibile eseguire semplici osservazioni di oggetti che irradiano intensamente nello spettro radio. Ciò include il Sole, il nostro pianeta ed i satelliti per comunicazioni artificiali, come Hot Bird, Astra e Sirius.

I radiotelescopi osservano il cielo per le radiazioni a lunghezze d’onda che sono migliaia o milioni di volte più lunghe della luce visibile. Le enormi antenne che gli scienziati hanno costruito per osservare queste lunghezze d’onda sono diventate icone della tecnologia moderna. Il radiotelescopio dell’osservatorio di Arecibo, così grande da essere stato costruito in una valle a forma di scodella a Puerto Rico, è immediatamente riconoscibile dal film di James Bond GoldenEye, mentre il radiotelescopio di Jodrell Bank ha dominato lo skyline di Manchester, nel Regno Unito, per mezzo secolo.

La risoluzione delle immagini di un telescopio dipende sia dalla lunghezza d’onda alla quale opera sia dal diametro della sua parabola. Maggiore è la lunghezza d’onda, peggiore è la risoluzione; e maggiore è il diametro, migliore è la risoluzione. Le onde radio hanno una lunghezza d’onda molto più lunga della luce visibile, motivo per cui i radiotelescopi professionali sono enormi. Le loro enormi dimensioni li aiutano anche a catturare le deboli radiazioni da oggetti deboli e distanti. Tuttavia, la tecnologia di base dietro i radiotelescopi è abbastanza semplice e con alcune attrezzature economiche e strumenti semplici, è abbastanza facile costruirne uno semplice ma funzionale.

Cosa occorre per realizzare un radiotelescopio

Ecco le parti di cui hai bisogno per il tuo radiotelescopio, che puoi acquistare nuove oppure usate in negozi che vendono apparecchiature TV usate e siti di aste online come eBay.

  • Una parabola satellitare

Quando guardi la TV, l’antenna parabolica focalizza le trasmissioni dal satellite al ricevitore. Nel tuo radiotelescopio, la parabola avrà uno scopo simile: rifletterà le onde radio relativamente deboli sul ricevitore. Ne consiglio uno con un diametro di almeno 1 m. Il piatto può essere di tipo offset o parabolico. Una parabola nuova costa circa 40 euro. Una usata non dovrebbe costare più di 20 €. Puoi trovarne un’ampia scelta a buon prezzo qui.

Una comune parabola satellitare offset e l’angolo di cui è sfalsata.

Puoi anche cercare la parabola presso punti di raccolta di materiali o di metalli di scarto: è qui che molti hanno trovato la loro. Se la parabola satellitare ha un supporto, occorre rimuoverlo, poiché aggiunge solo peso e rende più difficile lo spostamento. Il dipendente del negozio o del deposito rottami sarà probabilmente felice di rimuoverlo per te. Lascia comunque il braccio attaccato.

Un downconverter a blocchi a basso rumore, o LNB

Gli LNB sono una parte essenziale dei ricevitori TV satellitari e si trovano nel punto in cui la parabola focalizza i raggi in arrivo. Quando guardiamo la TV, l’LNB riceve e amplifica il segnale, elimina le frequenze indesiderate e quindi converte il segnale in una frequenza inferiore. Nel tuo radiotelescopio, l’LNB sarà il ricevitore che rileverà le onde radio riflesse dalla parabola. Qualsiasi marca o modello funzionerà bene, anche il più economico. Il prezzo di un nuovo downconverter è di circa 10 €, ma possono essere acquistati di seconda mano per una frazione di questo prezzo.

L’LNB (a sinistra) e un kit di parabola satellitare (a destra), che puoi  trovare qui.

  • Indicatore del segnale satellitare

Questo ci dice se l’LNB sta ricevendo un segnale e, in tal caso, quanto è forte. Assicurati di averne uno che emette un suono quando l’antenna riceve un segnale forte; ciò semplifica la dimostrazione del dispositivo a grandi gruppi di studenti poiché tutti saranno in grado di ascoltare il segnale. Inoltre, lo strumento deve essere dotato di un quadrante o display che consentirà di misurare l’intensità del segnale, in modo da poter effettuare misurazioni più precise e confrontare diverse osservazioni. A parte tali considerazioni, procurati il più semplice ed economico che puoi trovare: il costo di questa parte è di circa 5 €.

Un misuratore analogico del segnale satellitare, che puoi acquistare ad es. qui.

  • Altri componenti

Avrai bisogno anche dei seguenti componenti: (1) 3 m di cavo coassiale, che costa circa 1-2 €; (2) 3 connettori BNC (Bayonet Neill-Concelman) per il cavo coassiale da 60-120 gr (15-30 centesimi) ciascuno, e se possibile scegli connettori “twist-off”, poiché non necessitano di saldatura; (3) una fonte di alimentazione che fornisca da 12 V a 18 V in corrente continua (DC): puoi usare una batteria per auto al piombo-acido da 12V, oppure anche delle batterie AA standard collegate in serie.

Costruzione del radiotelescopio: i vari passi

Una volta che hai i tuoi materiali, si tratta principalmente di adattarli o collegarli insieme. Monta il downconverter a basso rumore sul braccio dell’antenna, utilizzando gli accessori forniti. Taglia il cavo coassiale a metà. Collega un connettore BNC a ciascuna estremità di un pezzo di cavo e a un’estremità dell’altro. Prendi il cavo coassiale che ha due connettori e inserisci un’estremità nell’LNB e l’altra nella presa etichettata “LNB” o “satellite” sul misuratore del segnale satellitare.

Le varie fasi di assemblaggio del radiotelescopio fai-da-te.

Prendi il cavo coassiale con un solo connettore e spella l’altra estremità del cavo per rivelare l’anima di metallo e lo schermo di rame intrecciato. Inserisci il connettore di quel cavo coassiale nella seconda presa del misuratore satellitare (etichettata con “alimentazione” o “ricevitore”). L’altra estremità del cavo ora deve essere collegata alla fonte di alimentazione. Collega la schermatura di rame intrecciato al terminale negativo della batteria e il nucleo interno al terminale positivo della batteria.

Ora hai costruito un radiotelescopio mobile di base che è leggero e maneggevole abbastanza da essere trasportato e puntato a mano verso diversi oggetti. Se desideri costruire un dispositivo montato come un telescopio ottico o un vero radiotelescopio professionale, dovrai collegarlo a un oggetto (come un treppiede pesante) che ti consenta di regolare sia l’azimut (la direzione orizzontale in cui punta il telescopio) sia l’elevazione (quanto in alto o basso è angolato).

Schema del semplice collegamento da realizzare, fra i tre componenti del sistema: LNB montato sulla parabola, misuratore di segnale e alimentatore.

Attività che puoi fare con il tuo strumento

Ora hai un radiotelescopio che funziona con alcuni degli stessi principi dei giganteschi radiotelescopi che vengono utilizzati per indagare sui primi giorni dell’Universo, catturando le radiazioni da galassie molto distanti. Sebbene il tuo radiotelescopio molto più piccolo non sia in grado di rilevare stelle distanti, puoi usarlo per (1) dimostrare ai tuoi studenti che il Sole e altri oggetti irradiano non solo la luce visibile ma anche le onde radio. Inoltre, (2) puoi trovare la posizione del Sole in una giornata nuvolosa, dimostrare che (3) la superficie della Terra emette onde radio e (4) localizzare i satelliti artificiali.

Se hai usato un’antenna parabolica per costruire il tuo radiotelescopio, dovrai puntare il suo asse direttamente sull’oggetto che stai osservando. Se hai usato un’antenna offset, tuttavia, devi prendere in considerazione l’angolazione con cui è sfalsata. La maggior parte dei produttori non fornisce questo parametro, ma può essere facilmente calcolato. In pratica, il braccio dell’antenna parabolica su cui è montato l’LNB indica la direzione da cui viene ricevuto il segnale.

a) Una vista frontale dei due tipi di parabola satellitare: parabolica (1) e offset (2) parabole, che mostra la posizione dell’LNB (3) b) Sezioni trasversali di un’antenna parabolica offset (a sinistra) e di un’antenna parabolica (a destra), che mostra l’angolo di elevazione (4)

Osservazione del Sole

Il sole emette radiazioni attraverso gran parte dello spettro elettromagnetico. In una giornata limpida, prova a puntare il radiotelescopio verso il sole e verso una macchia di cielo vuoto. Confronta le letture. Ripeti l’esperimento in una giornata nuvolosa; la posizione del sole può essere facilmente determinata, nonostante le nuvole. Chiedi ai tuoi studenti perché pensano che la luce visibile sia bloccata dalle nuvole mentre le onde radio la possono penetrare, oppure domandatelo tu.

Potresti anche chiedere ai tuoi studenti come possono distinguere la radiazione solare da un segnale satellitare, in particolare quando a volte appaiono vicini nel cielo. La risposta: il segnale satellitare è polarizzato (orizzontalmente o verticalmente) mentre non lo è la radiazione solare. Quindi, se si ruota la parabola del radiotelescopio e la potenza del segnale è invariata, il segnale proviene dal sole.

Osservazione del Sole a 12 GHz con una parabola satellitare interfacciata a un PC.

Osservazione della Terra

Gli oggetti intorno a noi, inclusi edifici, piante, persone e persino il terreno sotto i nostri piedi, emettono onde radio, riflesse dal Sole o dalla Terra. Prova a confrontare le letture per oggetti diversi. Grazie al segnale uditivo del misuratore del segnale satellitare, dovresti essere in grado di rilevare facilmente la posizione di edifici e alberi intorno a te, anche se bendato. Per assicurarti che il segnale non provenga dal Sole, assicurati di eseguire questi esperimenti puntando il piatto della parabola lontano dal Sole.

Rivelare il calore

La maggior parte dei fenomeni astronomici produce radiazioni elettromagnetiche perché i corpi coinvolti sono caldi. Maggiore è la loro temperatura, minore è la lunghezza d’onda che possono produrre. A circa 5500 °C, il Sole produce molta luce visibile, nonché infrarossi e onde radio. Gli oggetti più freddi devono essere rilevati mediante raggi infrarossi o radiotelescopi. Puoi dimostrarlo puntando il tuo radiotelescopio verso una piastra riscaldante mentre si riscalda. Comincerà a emettere luce visibile solo a circa 700 °C, ma il radiotelescopio rileverà le onde radio emesse molto prima.

L’intensità della radiazione alle varie temperature è descritta dallo spettro del corpo nero. I corpi più caldi emettono molta radiazione nel visibile, quelli più freddi nel radio.

Satelliti

Abbiamo costruito questo semplice radiotelescopio utilizzando la tecnologia della TV satellitare, che consente anche di rilevare veicoli spaziali. Talvolta i radiotelescopi dei professionisti lo fanno: il radiotelescopio Parkes in Australia è stato utilizzato per comunicare con l’Apollo 11 durante la sua missione sulla Luna. I satelliti di comunicazione più noti (ad es. Hot Bird, Astra e Sirius) sono in orbite geosincrone attorno alla Terra, il che significa che non si muovono nel cielo e orbitano sopra l’equatore.

Ciò li rende facili da trovare. Esistono inoltre dei database online che forniscono la posizione di molti satelliti. Tieni presente che durante gli equinozi di primavera e autunno, il Sole splende sopra l’equatore e può interferire con la ricezione satellitare quando il Sole e il satellite si trovano nella stessa area di cielo. Il database Wolfram Alpha ha una mappa della posizione del Sole rispetto a un satellite, quindi consultandolo prima delle nostre osservazioni è facile evitare il problema.

In estate, il Sole è sopra la linea che rappresenta la posizione dei satelliti geostazionari. In inverno, è sotto questa linea.