Neutroni per il futuro della scienza con l’European Spallation Source (ESS)

La ricerca scientifica basata sui neutroni può fare luce sui grandi misteri del mondo, analizzando la struttura e le dinamiche dei materiali meglio di qualsiasi altra tecnica di ricerca. Dall’energia alla salute, dai materiali all’ambiente, gli scienziati potranno sfruttare il centro di ricerca multidisciplinare European Spallation Source (ESS), basato sulla più potente sorgente di neutroni al mondo, per studiare e comprendere le strutture e le forze atomiche. ESS, progettato da scienziati per scienziati, richiamerà circa tremila ricercatori ogni anno.
Ma perché i neutroni sono così interessanti?

«I neutroni sono privi di carica elettrica, pertanto sono fantastici per analizzare atomi e molecole senza danneggiarli. – spiega Roland Garoby, direttore tecnico di ESS – Ad esempio, possiamo vedere che cosa succede quando un farmaco interagisce con le molecole e capire meglio i suoi effetti, arrivando così a produrre farmaci migliori. Gli scienziati possono sfruttare i neutroni per studiare materiali su scala molecolare o persino atomica e osservare dettagli altrimenti invisibili con tecniche come i raggi X o la risonanza magnetica. Esistono altre sorgenti di neutroni al mondo, ma l’acceleratore di protoni di ESS è il più potente mai costruito, in grado di generare una quantità maggiore di neutroni che verranno convertiti in neutroni utili a scopo scientifico utilizzando moderatori molto più efficienti. I fasci di neutroni sugli strumenti saranno fino a 100 volte più luminosi di qualsiasi altra struttura attualmente operativa. Questi progressi consentiranno agli scienziati di investigare in modo più veloce e approfondito le strutture dei materiali su scale dimensionali inaccessibili con altre sorgenti di neutroni».

ESS è composto da 23 edifici che attualmente si trovano a diversi stadi di completamento. Ospiterà apparecchiature fornite a titolo di contributo gratuito dai Paesi membri, attraverso accordi di collaborazione tecnica e scientifica fra laboratori, università e istituti scientifici europei, per progettare, sviluppare e costruire gran parte dell’acceleratore, del target (il disco di acciaio inossidabile che contiene i mattoni del metallo pesante tungsteno ricco di neutroni), degli strumenti, dei laboratori di ricerca, del software e di altri sistemi. Per la complessità del progetto, il team di ESS ha l’esigenza di coordinare il lavoro e integrare i singoli progetti nel layout complessivo dell’impianto prima di rilasciarli al cantiere. A questo scopo ESS gestisce le informazioni attraverso un sistema chiamato Plant Information Referential che offre collaborazione sicura e gestione efficiente delle strutture dell’impianto. Per quanto attiene alla progettazione, ESS gestisce la progettazione in parallelo e più specificamente la progettazione civile e strutturale degli edifici e dei principali impianti.

«ESS è un progetto greenfield. – racconta Peter Rådahl, capo progettazione e supporto di integrazione di ESS – Siamo partiti da zero progettando le strutture con il software di progettazione Catia di Dassault Systèmes perché era la soluzione più diffusa fra i partner del progetto. Mentre il progetto muoveva i primi passi, Dassault Systèmes ha rilasciato la piattaforma 3DExperience, che offriva un grande vantaggio: ci consentiva di coordinare la progettazione e la costruzione degli impianti nel loro complesso, gestendo milioni di parti, grazie alla possibilità di integrare i progetti 3D di ogni partner in un unico modello master 3D. Tutto: dalle strutture civili alle apparecchiature, fino al più piccolo componente. Avere tutti i dati sulla stessa piattaforma non ha prezzo. A prescindere dal software di progettazione, che sia Catia o un altro, la piattaforma 3DExperience integra tutto».

«Per controllare la configurazione e gestire il consolidamento, è essenziale avere una piattaforma comune che offre una vista completa dell’intero sito. I nostri collaboratori consolidano tutte le informazioni all’interno della piattaforma, ottenendo uno stato sempre aggiornato. Ad esempio, i modelli 3D vengono caricati sulla piattaforma settimanalmente, consentendoci di rilevare possibili interferenze e discrepanze in Catia. Grazie a questo livello di controllo elevato, riusciamo a correggere il progetto prima di andare avanti».

Costruzione e manutenzione sicure

Rådahl e il suo team comunicano con le squadre di lavoro sul cantiere attraverso la piattaforma 3DExperience.
«Gli operai si collegano alla piattaforma per avere accesso a tutti i modelli. In caso di modifiche, vengono informati perché tutte le modifiche vengono consolidate sulla piattaforma prima di mandare il modello revisionato al cantiere. – spiega Rådahl – Tutti riconoscono che i vantaggi di lavorare con un’unica fonte della verità superano di gran lunga il fastidio di dover cambiare le proprie abitudini. Ormai tutti utilizzano il nuovo strumento perché riconoscono il valore della nostra decisione di passare alla piattaforma 3DExperience».
ESS ha ottenuto vantaggi concreti con la piattaforma di Dassault Systèmes.

«Grazie alla possibilità di prendere decisioni nelle fasi iniziali del processo di sviluppo e al fatto che i requisiti e le geometrie sono collegati fra loro, non dobbiamo più pensare a dove posizionare ogni elemento… tutto è già presente nella piattaforma fin dall’inizio. – prosegue Rådahl – Così risparmiamo tempo quando produciamo la documentazione».
Lavorando su un modello master è aumentata anche la sicurezza dei processi di costruzione e manutenzione, perché i progetti e le attività possono essere simulati virtualmente prima che gli operai si cimentino nella costruzione o nella riparazione di parti della struttura.
Le sequenze di installazione vengono pianificate virtualmente sulla piattaforma 3DExperience prima di procedere nel mondo reale. I progetti sono stati visionati anche con gruppi d’interesse locali utilizzando il modello master digitale per mostrare la struttura in anteprima e come si inserisce nell’ambiente circostante.

«Con molti istituti partner in tutta Europa che lavorano contemporaneamente, l’utilizzo di un’unica piattaforma come la 3DExperience soddisfa le nostre esigenze di concurrent engineering» osserva Rådahl. Inoltre, i fornitori, molti dei quali utilizzano Catia, sono parte integrante del lavoro di progettazione e costruzione dell’ESS.

«Operiamo con due modalità differenti: la maggior parte dei partner passa dalla piattaforma, ma se un fornitore utilizza l’ultima versione di Catia, si può collegare alla piattaforma 3DExperience e lavorare in parallelo con noi. In alternativa carica i progetti sul nostro sistema e provvediamo noi a posizionarli nel modello master».
«Poiché ESS è stato progettato e costruito in collaborazione con diverse realtà in tutta Europa, dobbiamo essere sicuri che tutti abbiano i dati giusti con le revisioni corrette e che non ci siano discrepanze nel processo di progettazione. – afferma Henrik Lindblad, responsabile PLM e supporto di processo in ESS – Integriamo tutti questi dati nel master 3D e possiamo fare riferimento a questo modello comune nelle riunioni di coordinamento periodiche, sia al nostro interno sia con i nostri partner, per garantire che tutti siano allineati.

Possiamo così prendere decisioni rapide e corrette su aspetti come l’integrazione e la modifica dei requisiti. Un aspetto per noi particolarmente importante è la capacità di rilevare eventuali conflitti di installazione nelle primissime fasi e correggerli prima che cominci il lavoro vero e proprio di installazione dei componenti in cantiere».

Complessità ridotta con la simulazione dinamica

Molti impianti installati nel centro ESS sono complessi e coinvolgono diverse discipline fra cui elettrotecnica, meccanica e software. Per verificarne il corretto funzionamento, Rådahl e il suo team usano Catia Systems con Dymola per simulare virtualmente le attività operative prima che vengano realizzate fisicamente.
Tutti i team sfruttano le funzionalità di Enovia per la gestione dei flussi di lavoro e della documentazione per snellire la collaborazione e mantenere il progetto in linea con le scadenze.

«Usiamo sottoscrizioni e notifiche automatiche per far sì che tutto proceda con la massima fluidità e la gestione documentale per il controllo di versioni e modifiche. – dice Rådahl – Inoltre, gli enti di certificazione possono accedere a tutta la documentazione sulla piattaforma per le verifiche di conformità normativa».
ESS utilizza 3DExperience Enovia anche per tracciare le specifiche e i requisiti lungo tutto il processo di progettazione. Progettare l’edificio e tutti i sistemi circostanti comporta l’integrazione forse più complessa qui in ESS. Con la gestione dei requisiti di Enovia, ad esempio, è possibile assicurare la conformità al progetto. In ESS si sta valutando l’uso di Delmia per effettuare simulazioni e sequenze di installazione, che consentirebbe al team di fornire agli addetti in cantiere istruzioni di lavoro verificate digitalmente. I test in tal senso procedono bene e lasciano ben sperare che questa soluzione venga implementata in un prossimo futuro.