ALLEGATO I

DESCRIZIONE TECNICA E SCIENTIFICA

1. SCOPO E AMBITO DI APPLICAZIONE DEL PRESENTE DOCUMENTO

Il presente documento descrive la finalità scientifica e i sistemi tecnici che l’infrastruttura di ricerca «The Extreme Light Infrastructure ERIC» (ELI ERIC) metterà a disposizione dei ricercatori. In questa sede sono descritti gli aspetti specifici degli impianti che i paesi ospitanti metteranno a disposizione di ELI ERIC. Il presente documento è fondamentale per determinare l’ambito di applicazione e la definizione delle «operazioni» di ELI ERIC.

Il documento elenca gli obiettivi scientifici e le finalità di ELI ERIC. In alcuni casi si fa riferimento, ove pertinente, al «Libro bianco» di ELI, il documento tecnico primario di ELI prima della costruzione. Pur riconoscendo la validità degli aspetti della visione di ELI illustrati in tale importante documento, ai fini del presente documento e della costituzione di ELI ERIC sono descritti solo gli impianti tecnici offerti dai membri fondatori ospitanti di ERIC.

Nel presente documento sono sintetizzati l’attuale ambito di attività scientifica e gli aspetti tecnici degli impianti ELI. Vengono inoltre indicati gli elementi di bilancio e di programmazione all’inizio delle operazioni. Tali informazioni rappresentano un riferimento per lo statuto di ELI ERIC, in particolare per l’articolo 22 «Impegni e risorse», nonché la base per gli accordi tra ELI ERIC e i proprietari degli impianti (istituzioni ospitanti) affinché gli impianti ELI siano messi a disposizione della comunità degli utenti. Il presente documento è dunque parte integrante dello statuto di ELI ERIC al momento della costituzione iniziale di ELI ERIC e si pone come riferimento di base per quanto riguarda l’ambito di applicazione e la missione degli impianti.

2. INTRODUZIONE E CONTESTO

«The Extreme Light Infrastructure ERIC» è un impianto laser internazionale che ha l’obiettivo di sviluppare nuove opportunità di ricerca interdisciplinare utilizzando la luce estrema delle sorgenti laser con la massima potenza di picco attualmente disponibili e destinate a scopi di ricerca. Tali laser e la radiazione secondaria da esse derivata consentiranno scoperte senza precedenti in una vasta gamma di discipline scientifiche e applicazioni rilevanti per la società.

ELI ERIC, in linea con il regolamento (CE) n. 723/2009 del Consiglio (1), è un’infrastruttura di ricerca ubicata in un unico sito con più sedi operative negli Stati membri ospitanti in aggiunta alla sede legale. Gli impianti ELI si troveranno in due siti, ubicati nella Repubblica ceca e in Ungheria. Tali impianti vengono messi a disposizione di una comunità scientifica internazionale di utenti.

Nel 2018 il premio Nobel per la fisica è stato assegnato a Gérard Mourou e Donna Strickland per il loro lavoro sulla tecnologia laser denominata «amplificazione di impulsi ultrabrevi» (Chirped Pulse Amplification, CPA). Questo premio Nobel è speciale per ELI per diversi motivi, dal momento che mette in luce puntualmente la tecnologia di supporto che rende possibile la luce laser estrema. Gli impianti ELI sfrutteranno la tecnica CPA per rendere disponibili livelli di potenza di picco senza precedenti (cfr. figura 1), aprendo la strada a una varietà di applicazioni per la scienza fondamentale nonché a vantaggio della società.

L’obiettivo specifico di ELI ERIC è quello di affrontare due «grandi sfide», originariamente definite nel Libro bianco di ELI e sempre attuali, con l’obiettivo di sviluppare:

— impianti di irradiazione e raggi X ad elevata energia: particelle energetiche ultracorte (> 10 GeV) e fasci di radiazione (fino a pochi MeV) prodotti da acceleratori compatti al plasma laser;

— scienza ad attosecondi: un’istantanea nella scala degli attosecondi della dinamica degli elettroni in atomi, molecole, plasmi e solidi.

In particolare:

— ELI-Beamlines di Dolní Břežany (nei pressi di Praga), in Repubblica ceca, sarà incentrato sullo sviluppo di sorgenti secondarie a impulsi brevi di radiazioni e di particelle e sulle loro applicazioni multidisciplinari nelle scienze molecolari, biomediche e materiali, fisica dei plasmi densi, materia densa calda, astrofisica di laboratorio. Inoltre l’impianto utilizzerà i suoi laser ad alta potenza e ad alta frequenza di ripetizione per esperimenti di fisica a campo intenso, con intensità focalizzate su circa 1023 W/cm2, indagando sulla fisica esotica del plasma e sugli effetti QED non lineari. — La sorgente di impulsi di luce ad attosecondi ELI (ELI-ALPS) di Szeged, in Ungheria, sta creando un impianto unico che fornisce sorgenti di luce con gamma di frequenze tra THz (1012 Hz) e raggi X (1018 - 1019 Hz) sotto forma di impulsi ultracorti con elevata frequenza di ripetizione. ELI-ALPS sarà dedicata alla dinamica estremamente rapida acquisendo istantanee nella scala degli attosecondi (10–18 s) della dinamica degli elettroni in atomi, molecole, plasmi e solidi. Presso l’impianto si svolgeranno inoltre attività di ricerca con i laser a intensità ultraelevata.

Gli impianti ELI costituiranno un insieme dei sistemi più potenti e con gli impulsi più brevi attualmente disponibili. Più precisamente, ELI sarà la prima infrastruttura dedicata allo studio fondamentale di interazione laser-materia nel regime ultra-relativistico (I > 1024 W/cm2). Gli impianti stanno già testando una nuova generazione di linee di luce innovative e molto compatte che forniscono fasci di particelle energetiche e radiazioni della durata di femtosecondi (10–15 s) o attosecondi (10–18 s).

Grazie a queste varie attività di ricerca, si prevede che gli impianti ELI apporteranno notevoli vantaggi per la società e promuoveranno l’innovazione nel medio e lungo termine, anche grazie a trattamenti oncologici migliorati (fasci di radiazioni ionizzanti), imaging medico e biomedico, una nuova generazione di fotonica e lo sviluppo di nuovi metodi di trattamento dei rifiuti nucleari per mezzo della trasmutazione.

Complessivamente, gli impianti ELI occupano quasi 54 000 m2 in due siti e si prevede che impiegheranno fino a 600 ingegneri scienziati, tecnici e personale di supporto.

Figura 1

Le massime intensità focalizzate nel tempo (*1)

Originariamente il «Libro bianco» di ELI, così come era stato presentato nel 2011, delineava una visione per l’impianto che avrebbe superato i limiti della «luce estrema» e della tecnologia laser, oggi più che mai rilevante:

«Le odierne specifiche migliori dei sistemi laser ad alta potenza sono caratterizzate da una potenza di picco tra uno e due petawatt (PW) a bassissimi tassi di ripetizione (sotto gli Hz), e ciò è rimasto invariato da più di un decennio [ora due]. La maggior parte dei sistemi ad alta potenza rimane tuttavia ancora al livello di 100 TW. ELI e i progetti nazionali precedenti quali ILE e Vulcan-10 PW aumenteranno la potenza di picco di singoli laser (moduli) in regimi (multipli) di 10 PW, a tassi di ripetizione molto più alti, costituendo un’evoluzione di più di un ordine di grandezza in entrambi questi parametri».

Questa visione apre la strada a sistemi laser da 100 PW ancora più potenti, combinati e coerenti, da realizzarsi nei futuri impianti ELI sulla base di tecnologie che verranno utilizzate per la prima volta negli impianti ELI stessi. Tali sistemi aprono la strada a un nuovo tipo di interazione, offrendo per la prima volta la possibilità di penetrare oltre la fisica atomica per esplorare gli strati di materia oggetto della fisica nucleare, della fisica delle particelle ad alta energia, dell’astrofisica, campi tradizionalmente studiati con acceleratori di particelle ad alta energia. Si prevede che ELI possa contribuire con un approccio completamente nuovo alle indagini di fisica fondamentale. L’intensità ultra-relativistica del laser è l’essenza di ELI, che porta a:

— campo elettromagnetico più alto,

— possibilità per la luce di muovere materia, elettroni e ioni a velocità relativistica,

— generazione di radiazioni ad alta energia coerente o incoerente, X o γ,

— possibilità di produrre impulsi molto più brevi rispetto a quanto attualmente possibile, eventualmente anche più brevi rispetto alla gamma degli attosecondi.

Queste quattro caratteristiche uniche, da sole o in combinazione fra loro, offrono un nuovo insieme di potenti strumenti dinamici strutturali.

3. GLI IMPIANTI ELI AFFERENTI ALL’INFRASTRUTTURA DI RICERCA «THE EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE ERIC»

L’accesso agli impianti ELI sarà competitivo, internazionale e aperto agli utenti dall’interno e dall’esterno dei paesi membri, conformemente all’articolo 2, paragrafo 2, lettera a), dello statuto di ELI ERIC e alla politica di accesso degli utenti di ELI ERIC, definita all’articolo 6 dello statuto, nonché conformemente ai principi sanciti nella Carta dell’Unione europea per l’accesso alle infrastrutture di ricerca (2). Tutti gli «accessi degli utenti» devono essere soggetti a una valutazione tra pari. ELI ERIC garantirà un punto di accesso comune per gli utenti che hanno risposto a un invito a presentare proposte unificato, che riunirà tutte le capacità disponibili degli impianti ELI in modo integrato.

Dal punto di vista scientifico, l’accesso è «aperto», il che significa che gli impianti ELI sono aperti a potenziali ricercatori dei paesi membri e anche di paesi terzi. Le proposte sono competitive e l’accesso «aperto» implica anche che i dati e l’eventuale uso degli stessi nelle pubblicazioni devono essere disponibili e rivedibili da chiunque.

Oltre all’accesso «aperto» è disponibile anche l’accesso «proprietario», che richiede un pagamento da parte dell’utente; in questo caso i risultati sotto forma di dati possono essere di proprietà dell’utente e dunque «chiusi».

Infine, sarà anche possibile accedere in relazione a obiettivi basati su «missioni». Si potrebbe trattare di ricerche tematicamente dirette in discipline specifiche che potrebbero anche comportare sviluppi tecnologici in termini di collaborazione in materia di innovazioni e appalti. La formazione e l’istruzione ai fini dello sviluppo delle capacità sono una priorità per i membri e per lo Spazio europeo di ricerca, ma possono estendersi anche oltre i membri.

I membri ospitanti si impegnano a mettere gli impianti ELI a disposizione di ELI ERIC come parte integrante del loro contributo. Tale contributo senza costi da parte dei membri ospitanti è di interesse pubblico e i costi degli investimenti per la costruzione non sono ammortizzati o inclusi nei costi operativi. Il concetto di disponibilità non richiede, implica o esclude un trasferimento di proprietà degli impianti, in tutto o in parte. Il significato di disponibilità in questo specifico contesto è definito e concordato tra ELI ERIC e i suoi membri ospitanti come pieno accesso, controllo e responsabilità per i rispettivi impianti. Tale aspetto è giuridicamente disciplinato da accordi specifici sul funzionamento degli impianti tra ELI ERIC, il membro ospitante e, se del caso, i proprietari degli impianti ELI.

Gli accordi riguardano il funzionamento, il supporto e la gestione degli impianti, e faranno riferimento direttamente allo statuto di ELI ERIC per individuare la propria base giuridica. Essi devono tenere conto degli impegni, delle responsabilità e degli obblighi preesistenti, compresi quelli definiti nei progetti esecutivi dei Fondi strutturali e d’investimento europei (in appresso «fondi SIE»). Gli accordi sono ulteriormente discussi nel modello operativo di gestione di ELI ERIC e contemplano due tipi di tappe fondamentali relative alla disponibilità:

— tappe fondamentali tecniche, descritte di seguito, riguardanti in particolare insiemi di strumenti specifici e stazioni sperimentali funzionanti e pronti per l’utente, raccomandati da un comitato di valutazione comprendente esperti indipendenti, e approvati dall’assemblea generale di ELI ERIC;

— tappe fondamentali organizzative, definite in modo indipendente per ciascun impianto ELI.

Questo approccio deve essere coerente con l’obiettivo dichiarato dello statuto di far sì che ELI ERIC operi come un’unica entità giuridica ed evolva in una direzione simile ad altre importanti infrastrutture di ricerca, vale a dire verso una singola organizzazione e gestione integrata, come definito all’articolo 3, paragrafo 1, dello statuto di ELI ERIC.

Le sezioni seguenti forniscono una descrizione dettagliata di ogni impianto ELI e ne definiscono la natura scientifica e tecnica essenziale. Ciò costituisce una base importante per il suddetto approccio alla messa a disposizione degli impianti ELI. Sono indicati inoltre le tempistiche previste per la disponibilità di ciascun impianto per l’«accesso degli utenti» e i rispettivi costi stimati di funzionamento futuro nel corso dei primi tre anni, fino a includere i primi due anni di «funzionamento in regime stabilizzato». Le sezioni descrivono brevemente lo stato giuridico attuale di ciascun impianto ELI e come questo potrà influenzare in futuro l’accesso a ELI ERIC.

4. SORGENTE DI IMPULSI DI LUCE AD ATTOSECONDI ELI (ELI-ALPS)

L’impianto della sorgente di impulsi di luce ad attosecondi ELI (ELI-ALPS) di Szeged (Ungheria) metterà a disposizione della comunità internazionale, nell’ambito di ELI ERIC, una vasta gamma di sorgenti di radiazioni e particelle, che emettono, secondo specifiche stabili e operazioni solide, impulsi energetici di durata ultrabreve e radiazioni coerenti in un intervallo di tempo nell’ordine degli attosecondi (10–18 s). Si tratta di un impianto completamente nuovo in un unico sito che occupa oltre 24 000 m2 e presso il quale si prevede l’impiego di circa 200 dipendenti.

L’impianto ELI-ALPS è stato costruito ed è attualmente di proprietà della ELI-HU Non-Profit Ltd. (ELI-HU), una società indipendente senza scopo di lucro di proprietà dello Stato ungherese al 90 %, mentre il restante 10 % appartiene a portatori di interessi locali. ELI-HU ha piena autonomia e personalità giuridica in Ungheria.

4.1. Struttura tecnica e sorgenti

La missione principale dell’impianto di ricerca ELI-ALPS di Szeged è rendere una vasta gamma di sorgenti di luce ultrabreve accessibili a gruppi di utenti appartenenti alla comunità scientifica internazionale. Le sorgenti secondarie guidate da laser che emettono radiazioni coerenti estremamente ultraviolette (XUV) e a raggi X, limitate a impulsi ad attosecondi, rappresentano un’importante iniziativa di ricerca dell’infrastruttura. Lo scopo secondario dell’impianto è quello di contribuire ai necessari sviluppi scientifici e tecnologici per i laser ad elevata intensità di picco e di elevata potenza media.

Tabella 1

Parametri previsti delle prestazioni di ELI ALPS per sorgenti laser all’uscita laser

SORGENTI LASER PRIMARIE Potenza di picco Potenza media Energia dell’impulso Durata dell’impulso Frequenza di ripetizione ELI-ALPS HR1 > 0,13 TW > 0,16 TW 100 W 80 W > 1 mJ > 0,8 mJ < 2,2 cicli < 1,9 cicli 100 kHz HR2 > 1 TW 500 W > 5 mJ < 1,8 cicli (< 6 fs) 100 kHz MIR > 3,6 GW 15 W > 0,15 mJ < 4 cicli (< 42 fs) 100 kHz MIR HE aggiornamento previsto ~ 0,5 TW 15 W ~ 15 mJ @ 3 μm ~ 20 mJ @ 1,5 μm ~ 3 cicli (30 fs) 1 kHz SYLOS2 > 5 TW 35 W > 35 mJ < 2,2 cicli (< 7 fs) 1 kHz SYLOS3 aggiornamento previsto ~ 15 TW 120 W ~ 120 mJ ~ 2,5 cicli (~ 8 fs) 1 kHz Allineamento dell’esperimento SYLOS 3 TW 0,4 W > 40 mJ < 12 fs 10 Hz HF PW > 2 PW 340 W 34 J 17 fs 10 Hz Pompa THz > 1 TW 25 W > 500 mJ 0,5 ps 50 Hz

L’infrastruttura ELI-ALPS fornisce agli utenti, nei settori della ricerca scientifica e delle applicazioni industriali, impulsi laser primari in combinazione con una serie ragguardevole di impulsi di luce e di particelle secondarie sincronizzate. Le eccezionali caratteristiche dei parametri della sorgente sono:

— impulsi di pochi cicli, da terahertz/infrarossi a petahertz/ultravioletti, con una frequenza di ripetizione ragguardevole compreso tra 10 Hz e 100 kHz;

— impulsi a raggi X molli e duri ad attosecondi dell’ultravioletto estremo con frequenza di ripetizione compresa tra 10 Hz a 100 kHz ed energie degli impulsi da pochi μJ a mJ;

— sorgenti di particelle relativistiche e ultra-relativistiche e di raggi X spazialmente coerenti di durata nell’ordine dei femtosecondi;

— forme di impulsi ultra-relativistici controllati con contrasto ultra-elevato e frequenza di ripetizione da pochi Hz a kHz.

Una missione parallela di ELI-ALPS è quella di contribuire, con l’altro impianto ELI, agli sviluppi tecnologici verso laser a elevata potenza di picco ed elevata potenza media, in particolare per applicazioni di scienza ad attosecondi e altre applicazioni pertinenti. L’esistenza parallela di impulsi ad attosecondi e lo stato dell’arte dei laser, tra cui i laser di classe PW all’interno dello stesso impianto, offrono possibilità uniche di indagine a risoluzione temporale sia per l’interazione non relativistica sia per quella relativistica della luce con tutti e quattro gli stati della materia.

L’impianto ELI-ALPS è specificamente incentrato sulla stimolazione, attraverso effetti di ricaduta, delle applicazioni industriali, tenendo conto anche dell’eventuale forte impatto sul suo territorio circostante, che ospiterà un grande parco scientifico.

Tabella 2

Tappe fondamentali di ELI-ALPS per le sorgenti laser

DISPONIBILITÀ DI SORGENTI LASER DI ELI-ALPS INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI HR1 10.2017 Disponibile(0,8 mJ, < 1,9 cicli) 11.2021 (specifiche complete) HR2 3.2021 5.2021 MIR 10.2017 Disponibile MIR HE – AGGIORNAMENTO PREVISTO 10.2022 1.2023 SYLOS2 3.2019 Disponibile SYLOS3 – AGGIORNAMENTO PREVISTO 10.2022 1.2023 ALLINEAMENTO DELL’ESPERIMENTO SYLOS 12.2018 Disponibile HF PW 5.2018 10.2021 POMPA THZ 1.2021 3.2021

4.2. Stazioni sperimentali

Figura 2

Disposizione delle stazioni sperimentali di ELI-ALPS

ELI-ALPS offre numerosi impulsi laser ultrabrevi e ad alta intensità all’avanguardia, in combinazione con sorgenti secondarie di punta e stazioni avanzate per utenti che creeranno un ambiente eccezionale per ricerche fondamentali e di scienze applicate. In alcuni settori ELI-ALPS sarà leader mondiale sin dall’inizio:

— scienza degli elettroni di valenza e del guscio interno – la dinamica degli elettroni di valenza e del guscio interno in sistemi di piccole dimensioni può essere monitorata e controllata singolarmente con le interazioni di impulsi ad attosecondi;

— visualizzazione della dinamica strutturale ultraveloce ed effetti di correlazione – le combinazioni di sorgenti con impulsi ultracorti e lunghezze d’onda corte consentono la visualizzazione della dinamica di carica nei sistemi complessi e (fortemente) correlati.

— superficie ultraveloce e dinamica della materia condensata – le sorgenti ad attosecondi ad elevata frequenza di ripetizione all’avanguardia, in collegamento con una stazione per utenti NanoEsca sofisticata, aprono opportunità uniche nella scienza delle superfici e della materia condensata;

— attoscienza del plasma – gli impulsi relativistici da pochi cicli o impulsi PW con contrasto spaziale e temporale superiore verrebbero utilizzati per studiare, ottimizzare e applicare processi di emissioni in sottocicli per indagare la dinamica superficiale relativistica, la formazione di impulsi relativistici, la radiobiologia, ecc.;

— ricerca sulle radiazioni THz – le sorgenti THz ultrabrevi ad alta intensità con intensità di campo elettrico di picco senza precedenti (fino a 5 MV/cm) ed energia degli impulsi di 1 mJ saranno disponibili nella gamma di frequenze 0,1-2 THz.

La combinazione unica di sorgenti di radiazioni ad alta frequenza di ripetizione di ELI, che copre lo spettro elettromagnetico che va dai raggi X all’infrarosso lontano e ai THz, rende quest’impianto molto interessante per la ricerca sui sistemi complessi e applicati. I settori della ricerca applicata comprendono le nuove sorgenti ad attosecondi, nuove sorgenti di particelle, applicazioni nell’ambito delle nanotecnologie, dei beni culturali, dell’imaging biologico e applicazioni biomediche quali la tomografia avanzata a contrasto di fase e la spettroscopia multidimensionale.

Tabella 3

Tappe fondamentali delle sorgenti secondarie ELI-ALPS

SORGENTI SECONDARIE DI ELI-ALPS INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI GHHG HR1 & 2 GAS (LTA4) 8.2018 12.2021 (HR1) 7.2021 (HR2) GHHG HR1 & 2 CONDENSED (LTA3) 10.2020 12.2021 (HR1) 7.2021 (HR2) GHHG SYLOS COMPACT (LTA2) 3.2020 7.2021 GHHG SYLOS LONG (LTA1) 1.2021 2.2022 SHHG SYLOS (MTA) 11.2021 1.2023 SHHG HF (HTA) 6.2022 1.2023 MIR HE GENERATA IN ATTOSECONDI – AGGIORNAMENTO PREVISTO 1.2023 4.2023 SPETTROSCOPIA THZ (THZ) 10.2019 2.2020 ALTA ENERGIA THZ (THZ) 7.2021 12.2021 SYLOS ELECTRON (MTA) 12.2021 4.2022 PW ELECTRON – AGGIORNAMENTO PREVISTO (HTA) 1.2023 4.2023 LINEA DI LUCE IONIZZANTE – AGGIORNAMENTO POTENZIALE 9.2023 12.2024





Tabella 4

Tappe fondamentali delle stazioni sperimentali ELI-ALPS

STAZIONI SPERIMENTALI ELI-ALPS INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI MICROSCOPIO A REAZIONE 6.2021 9.2021 STAZIONE SPETTROMETRO VMI 8.2020 10.2020 STAZIONE DI MATERIA CONDENSATA (NANOESCA) 12.2019 6.2020 (separato) 7.2021 (con attosecondi) BOTTIGLIE MAGNETICHE E SPETTROMETRO 4.2021 12.2021 NANOSCIENZA E NANOFABBRICAZIONE 6.2018 12.2019 BETATRON IMAGING – AGGIORNAMENTO PREVISTO 4.2023 12.2023 STAZIONE DI CONTROLLO REAZIONE CHIMICA 6.2020 8.2020 STAZIONE DEL FILO LIQUIDO 4.2022 8.2022 SPETTROSCOPIA MULTIDIMENSIONALE (FEMTOBIOLOGIA) – AGGIORNAMENTO PREVISTO 8.2021 12.2021 STAZIONE DI FISICA A CAMPO ELEVATO (AREA DI DESTINAZIONE PW) 12.2022 2.2023 RADIOBIOLOGIA / BIOMEDICA 8.2018 2.2020

La tabella precedente elenca le stazioni che diverranno disponibili per l’«accesso degli utenti» nell’ambito di ELI ERIC nei prossimi anni. Si tratta di tappe tecniche fondamentali di ELI-ALPS e dell’Ungheria in qualità di paese ospitante in relazione a ELI ERIC. Le stazioni dovrebbero divenire disponibili in momenti diversi. Una volta che la stazione sperimentale finale sarà stata aperta all’accesso degli utenti, l’impianto sarà considerato in modalità di «funzionamento in regime stabilizzato». Inoltre la tabella di cui sopra presenta gli aggiornamenti previsti dell’impianto, che dovranno essere esaminati e valutati in futuro da ELI ERIC.

Quando inizierà la messa in servizio delle sorgenti di laser primari e acceleratori, i primi gruppi di utenti forniranno assistenza contribuendo a caratterizzare le sorgenti e a ultimare la costruzione delle stazioni sperimentali. Queste attività sono gestite e avviate direttamente attraverso ELI-ALPS. Poiché i primi laser (MIR, HR1) sono divenuti operativi alla fine del 2017, è già stato fornito accesso ai primi gruppi di utenti internazionali per permettere loro di fornire assistenza nella messa in servizio dell’impianto (FORTH Grecia, ETH Zurigo, CEA Francia, Università ebraica, Università di Friburgo, Università di Aarhus, Università di Limoges, MPQ Garching, Università Friedrich Schiller Jena, Istituto di scienza e tecnologia Gwangju, Corea del Sud, Istituto di ricerca Wigner, Ungheria).

Non appena una stazione sperimentale supera la fase di messa in servizio e diviene operativa, con il sostegno di una sorgente funzionale primaria e/o secondaria, il programma di accesso degli utenti può avere inizio ed ELI ERIC può iniziare ad accettare le proposte per tale stazione.

La conferma e l’accettazione di ciascuna stazione sperimentale saranno monitorate e un «esame di accettazione operativa» formale, eseguito da esperti indipendenti, esperti di ELI-ALPS ed esperti di altri impianti ELI, confermerà che la stazione può essere messa a disposizione degli utenti e formulerà una raccomandazione formale all’ISTAC e all’assemblea generale di ELI ERIC.

4.3. Accesso degli utenti e modalità operative

La modalità di accesso sarà resa nota agli utenti provenienti da altri impianti laser e di ricerca di spicco. La durata degli esperimenti dovrebbe essere espressa in termini di giorni e, in alcuni casi, settimane. In generale, l’obiettivo dell’impianto è quello di essere disponibile [220 giorni/anno x 8 ore/giorno] per un totale di 1 760 ore/anno.

4.4. Aspetti relativi alle operazioni e al rapporto tra ELI ERIC e ELI-ALPS

Mentre ELI ERIC ha il compito di gestire l’accesso all’impianto ELI-ALPS quando sarà reso disponibile, la struttura fisica dell’impianto è di proprietà di ELI-HU Non-Profit Ltd. (ELI-HU) e sarà inizialmente gestita direttamente da quest’ultima. L’Istituto è un’«organizzazione di ricerca» con lo scopo di fornire norme sugli aiuti di Stato per attività di ricerca e sviluppo.

Oltre alle tappe fondamentali tecniche e scientifiche di cui sopra, esistono anche tappe fondamentali organizzative legate all’integrazione complessiva di ELI-ALPS in ELI ERIC. Tali tappe fondamentali organizzative sono elencate nella tabella sottostante.

Tabella 5

Tappe fondamentali organizzative previste per la transizione di ELI-ALPS

MODELLO ORGANIZZATIVO INTEGRATO ELI-ALPS 2020 2021 2022 GOVERNANCE X X X POLITICA SCIENTIFICA X X X ACCESSO DEGLI UTENTI — X X BILANCIO — X X POLITICA IN MATERIA DI PERSONALE — — X GESTIONE DELLE TECNOLOGIE — — X GESTIONE DEGLI IMPIANTI — — X RESPONSABILITÀ GIURIDICA E CIVILE — X X AMMINISTRAZIONE — X X

Nel caso di ELI-ALPS, le attività passeranno a ELI ERIC nell’arco di almeno due anni e alcune attività saranno trasferite alla fine del periodo. Il piano generale di transizione può essere determinato insieme alle tappe fondamentali tecniche indicate per le stazioni sperimentali.

La tabella che segue elenca i costi stimati relativi all’accesso degli utenti che ELI-ALPS dovrà sostenere per mantenere operativo l’impianto per ELI ERIC a partire dal periodo 2020-2021, ovvero il «periodo di transizione». Si tratta del periodo in cui si presume che le responsabilità, le risorse e le attività passeranno da ELI-HU a ELI ERIC.

Tabella 6

Costi stimati dell’accesso a ELI-ALPS

(in EUR) ELI-ALPS 2020 2021 2022 2023 2024 Costi diretti per il personale 1 729 009 2 950 040 3 590 338 3 782 380 Costi diretti per le attrezzature 2 425 972 3 766 587 5 098 323 5 371 024 Costi per personale + attrezzature 4 154 981 6 716 627 8 688 661 9 153 404 Personale + attrezzature %/Totale 27 % 37 % 42 % 42 % Costi indiretti 11 249 019 11 281 373 12 194 339 12 846 596 Costi complessivi ELI-ALPS 15 404 000 17 998 000 20 883 000 22 000 000

5. ELI BEAMLINES (ELI-BL)

L’impianto ELI-Beamlines (ELI-BL) di Dolní Břežany, vicino a Praga (Repubblica ceca) sottolinea persino nel suo nome la sua capacità di ospitare più esperimenti diversi di una serie di utenti, mettendo a disposizione diverse linee di laser. L’impianto è stato progettato per offrire capacità ad alta energia ed elevata frequenza di ripetizione. Si tratta di un impianto completamente nuovo in un unico sito che occupa oltre 30 000 m2 e presso il quale si prevede l’impiego di circa 200-300 dipendenti a sostegno degli utenti.

L’impianto è di proprietà dell’Istituto di fisica dell’Accademia delle scienze della Repubblica ceca ed è gestito dall’Istituto stesso, che ha piena autonomia e personalità giuridica nella Repubblica ceca in qualità di istituto pubblico di ricerca.

5.1. Struttura tecnica e sorgenti

Tabella 7

Parametri previsti delle prestazioni di ELI BL per sorgenti laser

SORGENTI LASER PRIMARIE Potenza di picco Energia in impulsi Durata dell’impulso Frequenza di ripetizione ELI-BL L1 > 5 TW 100 mJ < 20 fs 1 kHz L2 OPCPA, Dual color 100 TW ≥ 3 J OPCPA / 1 mJ MIR ≤ 20 fs 20 Hz L3 ≥ PW ≥ 30 J ≤ 30 fs 10 Hz L4f 10 PW ≥ 1,5 kJ ≤ 150 fs 1 colpo al min L4n ≥ 1,5 kJ ns 1 colpo al min L4p ≤ 1 PW 150 J 150 fs-150 ps 1 colpo al min Astrella 6 e 10 mJ 20 fs 1 kHz Bio-laser stabilizzazione 6 mJ CEP 20 fs 1 kHz





Tabella 8

Date delle tappe fondamentali per l’accesso alle linee di luce di ELI-BL

SORGENTI LASER DI ELI-BL INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI L1 1.2018 12.2019 (30 mJ) 12.2020 (50 mJ) 12.2021 (100 mJ) L2 1.2022 6.2022 L3 11.2017 7.2018 (0,4 PW) 12.2019 (1 PW) L4F 9.2018 6.2020 L4N 9.2018 1.2021 L4P 6.2022 12.2022 ASTRELLA 2.2018 4.2018 BIO-LASER 4.2018 6.2018

Viene posta una forte enfasi sulle possibili applicazioni in diversi settori di rilevanza sociale, come ad esempio la medicina o la biologia. ELI-BL crea un ambiente favorevole per la cooperazione intensa tra ricerca e industria insieme al centro collegato HiLASE (anch’esso di proprietà e gestito dall’Istituto di fisica dell’Accademia delle scienze della Repubblica ceca), dedicato allo sviluppo e al trasferimento della tecnologia laser, che funge già da polo di attrazione per le imprese e le spin-off in diversi ambiti di attività diffusi nella cosiddetta regione STAR (Science and Technology Advanced Region, regione delle scienze e delle tecnologie avanzate), che circonda l’impianto ELI-BL.

5.2. Stazioni sperimentali

Figura 3

Disposizione delle stazioni sperimentali di ELI-BL

Gli impulsi ultrabrevi e ultraintensi di luce e le particelle generate da ELI-BL dall’interazione con materiali in stato solido e materiali obiettivi gassosi consentiranno un ampio spettro di progetti di ricerca fondamentale e applicata nei settori della chimica, della biologia, delle tecnologie mediche, dello sviluppo di nuovi materiali e in altri settori. Le attività di ricerca all’interno dell’impianto ELI-BL sono strutturate in sei sale sperimentali.

Tabella 9

Sorgenti secondarie/linee di luce ELI-BL e tappe fondamentali

SORGENTI SECONDARIE DI ELI-BL SORGENTE INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI E1: SORGENTI DI RAGGI X HHG 2.2018 1.2019 E1: SORGENTI DI RAGGI X PXS 3.2018 4.2019 E2: SORGENTI DI RAGGI X Betatrone 6.2019 11.2019 E2: SORGENTI DI RAGGI X – AGGIORNAMENTO FINANZIATO Compton 1.2020 12.2020 E5: SORGENTI DI RAGGI X ONDULATORE LASER LUIS 3.2019 6.2020 E4: ACCELERAZIONE DI IONI ELIMAIA 11.2018 10.2019 E5: ACCELERAZIONE DI ELETTRONI HELL 1.2019 3.2020





Tabella 10

Tappe fondamentali e stazioni sperimentali ELI-BL

STAZIONI SPERIMENTALI ELI-BL STAZIONE INIZIO DELLA MESSA IN SERVIZIO ACCESSO DEGLI UTENTI E1: APPLICAZIONI MATERIALI E BIOMOLECOLARI MAC 4.2018 1.2019 E1: APPLICAZIONI MATERIALI E BIOMOLECOLARI Trex 6.2018 5.2019 E1: APPLICAZIONI MATERIALI E BIOMOLECOLARI SRS 6.2018 3.2019 E1: APPLICAZIONI MATERIALI E BIOMOLECOLARI ELIps 9.2018 3.2019 E2: SORGENTI DI RAGGI X – AGGIORNAMENTO FINANZIATO Stazione Compton 7.2021 7.2022 E5: SORGENTI DI RAGGI X ONDULATORE LASER Stazione LUIS 3.2019 6.2021 E3: PIATTAFORMA DI FISICA DEL PLASMA P3 9.2018 10.2020 E4: ACCELERAZIONE DI IONI ELIMED 11.2018 1.2021 E5: ACCELERAZIONE DI ELETTRONI Stazione ELBA 1.2019 7.2021

La sala sperimentale E1 ospita sorgenti secondarie guidate da laser e stazioni sperimentali per applicazioni nelle scienze molecolari, biomediche e materiali. Gli esperimenti sfrutteranno i fasci di fotoni laser sincronizzati nella gamma VUV e dei raggi X duri (sorgente ad armoniche elevate- una sorgente kHz di impulsi EUV ultrabrevi emessi in un fascio coerente con bassa divergenza e sorgente di raggi X al plasma – impulsi a femtosecondi di radiazioni a raggi X nel campo spettrale di 4-30 keV).

Gli strumenti comprendono:

— MAC: una camera multiscopo per scienze atomiche, molecolari e ottiche e imaging coerente diffrattivo;

— ELIps: ellissometro VUV per esperimenti sub-ps; una stazione per VUV e materiali a raggi X molli;

— stazione a raggi X duri: una stazione modulare per esperimenti a risoluzione temporale come dispersione, diffrazione, spettroscopia e imaging a raggi X;

— sonde ottiche e fasci pompa: una stazione avanzata per spettroscopia ottica, compresa la dispersione Raman stimolata; la sorgente di una vasta gamma di fasci pompa sincronizzati da UV a IR e THz.

La sala sperimentale E2 è dedicata a fasci di raggi X duri ultraveloci e luminosi. Sarà disponibile un laser di classe PW ad una frequenza di ripetizione a 10 Hz. È possibile regolare una gamma di parametri tra cui l’intensità del laser, la dimensione del punto laser e la durata e la densità di elettroni nel gas. Gli elettroni vengono accelerati ad energie relativistiche e agitati dal plasma stesso (sorgente Betatrone) oppure da un secondo impulso laser (sorgente Compton). I fasci di raggi X o raggi gamma intensi a femtosecondi sono emessi da una sorgente di dimensioni micrometrico. Gli utenti possono richiedere radiazioni a spettro ristretto (10 % di diffusione dell’energia) o a banda larga in una gamma spettrale da keV a qualche MeV.

La piattaforma di fisica del plasma presente nella sala sperimentale E3 è un’infrastruttura sperimentale multifunzionale progettata per eseguire ricerche sull’interazione laser-plasma e laser-materia prevalentemente nei seguenti ambiti:

— fisica ad alta energia e densità (HEDP);

— materia densa calda (WDM);

— ottica del plasma (PO);

— astrofisica di laboratorio (LA);

— interazione ad intensità ultra-elevata (UHI).

L’area sperimentale E4 permette agli utenti di provare vari campioni con sorgenti laser agli ioni accelerati grazie alla sezione per il trasporto e la dosimetria del fascio di ioni, nonché per indagare sui sistemi innovativi per l’accelerazione di ioni guidata da laser, che possono essere posti nella camera di interazione flessibile. La linea di luce ELIMAIA permetterà all’utente di indagare su applicazioni multidisciplinari con fasci di ioni guidati da laser, come gli studi sulla biologia delle radiazioni in vitro e gli studi pre-clinici nell’ambito della cooperazione internazionale ELIMED.

La sala sperimentale E5 contiene la linea di luce LUIS ed è dedicata agli utenti interessati all’irradiazione di vari campioni attraverso le tecniche più avanzate. Ospita inoltre la piattaforma ELBA, un’area sperimentale flessibile dedicata agli utenti che desiderano testare concetti innovativi e utilizzare le tecnologie più avanzate per accelerare gli elettroni con i laser a livelli multi-GeV.

Oltre all’ambito di applicazione originario dell’impianto ELI-BL, la tabella di cui sopra presenta in aggiunta miglioramenti e aggiornamenti delle capacità dell’impianto già finanziati attraverso i progetti dedicati ADONIS, HIFI ed ELIBIO, che dovranno essere esaminati e valutati in futuro da ELI ERIC.

La conferma e l’accettazione di ogni stazione sperimentale saranno monitorate e una «valutazione operativa dell’accettazione» formale, eseguita da esperti indipendenti, esperti di ELI-BL ed esperti di altri impianti ELI, confermerà la disponibilità per gli utenti e formulerà una raccomandazione formale per l’ISTAC e l’assemblea generale di ELI ERIC.

5.3. Accesso degli utenti e modalità operative

La modalità di accesso sarà resa nota agli utenti provenienti da altri impianti laser e di ricerca di spicco. La durata degli esperimenti dovrebbe essere espressa in termini di giorni e, in alcuni casi, settimane. In generale, l’obiettivo dell’impianto è quello di essere disponibile [220 giorni/anno x 8 ore/giorno] per un totale di 1 760 ore/anno.

5.4. Aspetti relativi alle operazioni e al rapporto tra ELI ERIC e ELI-BL

Mentre ELI ERIC ha il compito di gestire l’accesso all’impianto ELI-BL quando sarà reso disponibile, la struttura fisica dell’impianto è di proprietà dell’Istituto di fisica dell’Accademia delle scienze della Repubblica ceca e sarà inizialmente gestita direttamente dall’Istituto stesso, che ha piena autonomia e personalità giuridica nella Repubblica ceca. L’Istituto è un’«organizzazione di ricerca» con lo scopo di fornire aiuti di Stato per attività di ricerca e sviluppo.

Oltre alle tappe fondamentali tecniche e scientifiche di cui sopra, esistono anche tappe fondamentali organizzative legate all’integrazione complessiva di ELI-BL in ELI ERIC. Le tappe fondamentali organizzative sono elencate nella tabella sottostante e riportate in dettaglio nell’appendice, «Modello operativo di gestione».

Tabella 11

Tappe fondamentali organizzative previste per la transizione di ELI-BL

MODELLO INTEGRATO ELI-BL 2020 2021 2022 GOVERNANCE X X X POLITICA SCIENTIFICA X X X ACCESSO DEGLI UTENTI — X X BILANCIO — X X POLITICA IN MATERIA DI PERSONALE — — X GESTIONE DELLE TECNOLOGIE — — X GESTIONE DEL SITO — — X RESPONSABILITÀ GIURIDICA E CIVILE — X X AMMINISTRAZIONE — X X

La Repubblica ceca si impegna a mettere a disposizione di ELI ERIC la piena capacità degli impianti ELI-BL.

La tabella che segue elenca i costi stimati relativi all’accesso degli utenti che ELI-BL dovrà sostenere per mantenere operativo l’impianto per ELI ERIC a partire dal periodo 2020-2021, ovvero il «periodo di transizione». Si tratta del periodo in cui si presume che le responsabilità, le risorse e le attività passeranno dall’Istituto di fisica dell’Accademia delle scienze della Repubblica ceca a ELI ERIC.

Tabella 12

Costi stimati dell’accesso di ELI-Beamlines

(in EUR) ELI-BL 2020 2021 2022 2023 2024 Costi diretti per il personale 4 892 490 5 577 230 5 928 203 5 936 667 Costi diretti per le attrezzature 7 831 675 7 565 111 7 428 934 7 439 541 Costi per personale + attrezzature 12 724 165 13 142 341 13 357 138 13 376 209 Personale + attrezzature %/Totale 51 % 52 % 53 % 53 % Costi indiretti 12 342 835 11 999 659 11 856 862 11 873 791 Costi complessivi ELI-BL 25 067 000 25 142 000 25 214 000 25 250 000

6. COSTI STIMATI

Per definire le condizioni necessarie per raggiungere la sostenibilità a lungo termine, è necessario precisare i costi e le possibili fonti finanziarie. Come previsto nello statuto di ELI ERIC, i principi generali per l’utilizzo dell’impianto ELI devono essere documentati in una politica separata approvata dall’assemblea generale, mentre la ripartizione dei contributi dei membri alle spese di funzionamento è stabilita nell’allegato II, oltre ai presupposti per evitare uno squilibrio significativo e persistente tra l’uso degli impianti e i contributi in denaro o in natura corrisposti da ciascun membro.

Gli elementi di base per definire i costi sono presentati di seguito e possono essere raggruppati nelle seguenti categorie:

1) costruzione – spese in conto capitale (CAPEX) prima delle operazioni;

2) operazioni – spese operative (OPEX) dell’accesso soggetto a valutazione tra pari;

3) futuri aggiornamenti – nuovi investimenti (CAPEX) necessari per migliorare le specifiche e gli strumenti disponibili in risposta alla concorrenza e alle esigenze degli utenti.

Il testo che segue si concentra sugli aspetti dei punti 1 (costruzione) e 2 (operazioni).

6.1. Costruzione

L’investimento totale (costi di costruzione) dell’impianto ELI sarà di circa 556 milioni di EUR nel periodo di costruzione come indicato nella tabella 13.

Tabella 13

Costi di costruzione dell’impianto ELI

(in migliaia di EUR) ELEMENTO ELI BL ELI ALPS ELI EDIFICIO + TERRENO 94 643 88 705 183 348 TECNOLOGIA 181 876 105 435 287 311 SERVIZI 7 601 9 788 17 389 PERSONALE 41 206 27 484 68 690 TOTALE 325 326 231 412 556 738

Tali costi sono interamente coperti dai paesi ospitanti attraverso i fondi SIE e i finanziamenti nazionali, sulla base dei progetti approvati e monitorati dalle autorità nazionali di gestione. Gli investimenti sono stati pari a circa il 25 % nelle costruzioni, il 65 % nelle tecnologie e il 10 % in personale e servizi. Tali costi non sono recuperabili da ELI ERIC e non saranno inclusi nei costi operativi di ELI ERIC. Nessun costo di investimento iniziale o di costruzione sarà coperto dai contributi, che sono riservati solo alle operazioni iniziali, al funzionamento in regime stabilizzato e agli aggiornamenti.

6.2. Operazioni

L’impegno dei membri ospitanti consente agli altri membri non ospitanti di definire un approccio graduale ai loro impegni futuri e raggiungere la sostenibilità a lungo termine di ELI ERIC sulla base dei contributi dei membri:

Tabella 14

Costi stimati delle operazioni di ELI ERIC per gli impianti ELI

(in EUR) Costi delle operazioni di ELI ERIC 2020 2021 2022 2023 2024 Costi diretti per il personale 6 621 499 8 527 271 9 518 542 9 719 048 Costi diretti per le attrezzature 10 257 647 11 331 697 12 527 257 12 810 565 Costi indiretti 23 591 854 23 281 032 24 051 201 24 720 387 Totale impianti ELI 40 471 000 43 140 000 46 097 000 47 250 000 Sede ELI ERIC 500 000 2 551 000 2 564 000 2 600 000 2 600 000 Totale ELI ERIC 500 000 43 022 000 45 704 000 48 697 000 49 850 000

L’ingresso di membri non ospitanti durante il periodo operativo iniziale consente un graduale aumento dei contributi dopo l’istituzione di ELI ERIC e una decisione sul livello finale e gli impegni relativi ai contributi subito dopo lo stabilimento. L’ingresso precoce permette ai potenziali membri di essere coinvolti nella definizione delle regole di base per il funzionamento degli impianti ELI, incrementando nel contempo gli impegni finanziari iniziali.

Qui sopra sono indicati i costi operativi previsti di ELI ERIC, adeguati alle tappe fondamentali attuali. Essi rappresentano probabilmente una stima per eccesso rispetto ai costi di accesso degli utenti durante il periodo operativo iniziale a seconda del raggiungimento o meno delle tappe fondamentali. Le stime devono essere definite e monitorate su base annua per la durata del periodo operativo iniziale.

6.3. Aggiornamenti futuri

I costi operativi di ELI ERIC non tengono conto di futuri aggiornamenti dei sistemi laser e degli impianti. Essi coprono i costi di gestione, comprese le parti di ricambio e la manutenzione.

I sistemi laser avanzati si stanno sviluppando rapidamente ed è generalmente riconosciuto che sarà necessario uno sviluppo costante per mantenere la competitività. A tal fine saranno proposti progetti specifici di aggiornamento dai dirigenti di ELI ERIC e saranno condotte analisi dopo cinque anni e dopo dieci anni per comprendere i possibili sviluppi e i relativi costi. Saranno organizzate campagne specifiche di aggiornamento per soddisfare le esigenze e le fonti di investimento di capitale.

7. SVILUPPO E OBIETTIVI

The Extreme Light Infrastructure ERIC è uno sviluppo importante, non solo per la comunità attiva nel settore della ricerca sul laser in Europa, ma anche per il più ampio Spazio europeo della ricerca. La tecnologia laser è un ambito consolidato e allo stesso tempo in rapida evoluzione. Man mano che si sviluppa, il settore diventa sempre più rilevante per le applicazioni scientifiche ed è già estremamente importante per la competitività europea.

The Extreme Light Infrastructure ERIC comporterà notevoli vantaggi per la società in settori quali terapie cliniche migliorate contro il cancro, l’imaging biomedico e il trattamento di materiali e rifiuti nucleari. ELI ERIC contribuirà inoltre all’industria europea della fotonica e offrirà opportunità di istruzione e di formazione per i nuovi scienziati e ingegneri negli ambiti di ricerca della fotonica e delle tecnologie laser.

The Extreme Light Infrastructure ERIC è essenziale affinché le iniziative a livello europeo mantengano la propria competitività nell’ambito strategico dei sistemi laser ad alta potenza e impulsi brevi e nei settori scientifici e dell’innovazione alla base di tali sistemi. Il rapido sviluppo delle tecnologie laser indica che tale settore è in grado di rivoluzionare radicalmente le grandi piattaforme scientifiche e industriali attualmente esistenti nel medio e lungo termine. Tuttavia, prima che ciò possa accadere, ELI ERIC deve dimostrare di essere in grado di operare in modo sostenibile.

7.1. Sviluppo della scienza e della tecnologia laser

Nel settore degli impianti laser ad alta potenza e dei relativi centri di ricerca, il ruolo di leader è passato dall’Asia e dall’America settentrionale all’Europa. È chiaro che in Europa è presente una concentrazione significativa, principalmente grazie all’organizzazione autonoma dei vari istituti e paesi coinvolti attraverso i programmi dell’Unione europea, che hanno sostenuto il settore e contribuito al suo approccio strategico per diversi decenni.

Il successo scientifico e l’entusiasmo nel settore dei sistemi laser ad alta potenza hanno portato a un aumento delle installazioni europee negli ultimi dieci anni. Anche se esiste un certo numero di fattori che determinano questo sviluppo, esso è chiaramente parallelo all’aumento dei laboratori laser nazionali all’interno della rete europea LaserLab Europe finanziata dalla Commissione europea (www.laserlab-europe.net). Secondo il sito web, il consorzio riunisce attualmente 33 organizzazioni leader nella ricerca interdisciplinare basata su laser in 16 paesi. 22 di questi impianti offrono l’accesso ai loro laboratori per la ricerca in Europa e altrove.

Figura 4

Mappa mondiale del 2016 del Comitato internazionale per i laser di intensità ultra-alta (ICUIL), che mostra la diffusione globale degli impianti laser di classe PW

Fonte: Dr. C. P. J. (Chris) Barty, Lawrence-Livermore National Laboratory.

Il successo iniziale di LaserLab Europe fornisce una base affinché ELI ERIC continui a sviluppare la comunità europea del laser. Un aspetto altrettanto importante è che ELI ERIC consentirà lo sviluppo di nuove capacità e richiamerà l’attenzione di altre discipline scientifiche. Sulla base del successo dei laboratori nazionali basati sul laser sono state sviluppate competenze, conoscenze e prove del concetto per ELI ERIC. La comunità di utenti è cresciuta e sono stati effettuati investimenti significativi, sostenendo altresì lo sviluppo delle imprese europee, per costruire ELI ERIC e altri impianti di classe PW. La cooperazione continua all’interno della comunità è fondamentale per mantenere competitiva l’Europa e conservare la leadership in questo settore.

Con la scoperta dell’amplificazione di impulsi ultrabrevi (CPA, chirped pulse amplification) e poi della CPA parametrica ottica (OPCPA) sui sistemi ELI, si verifica un salto della potenza di picco degli impulsi laser di 6-8 ordini di grandezza, 4 ordini di grandezza superiori al livello in cui l’energia oscillante dell’elettrone è uguale all’energia della massa a riposo (o 1 018 W/cm2 dell’elettrone). Questo preannuncia l’interazione relativistica laser-plasma e il regime subatomico, compresa la fisica nucleare e delle particelle. I futuri sviluppi di ELI ERIC potranno realisticamente competere con gli acceleratori più potenti del mondo a una frazione del loro costo e con tecniche più tradizionali, laddove sono necessari elevati gradienti di accelerazione in applicazioni mirate, come ad esempio la radioterapia oncologica in ambito ospedaliero, per le quali lo spazio e i costi diventano aspetti cruciali.

In termini di sviluppo tecnologico, ELI ERIC si concentrerà soprattutto sui settori essenziali di collaborazione individuati da ELI e dai partner leader in LaserLab. Gli ostacoli principali al funzionamento affidabile ed efficiente in termini di costi dei sistemi e degli impianti di classe PW saranno affrontati con l’industria al fine di superarli. Ciò non solo influirà positivamente sull’industria europea del settore, sullo Spazio europeo della ricerca e sulla rete attuale di partner di LaserLab, ma contribuirà direttamente a una gestione sostenibile degli impianti ELI, garantendo un’affidabilità di livello mondiale.

Figura 5

Numero di sistemi laser di classe petawatt che divengono operativi ogni anno, ordinati per continente in cui sono ubicati (*2)

La fisica è chiara e la sfida è quella di sviluppare la tecnologia. Un certo numero di tecnologie abilitanti sarà sviluppato da ELI, in collaborazione con l’industria e altri centri di ricerca leader, in particolare i componenti ottici di prossima generazione.

7.2. Obiettivi organizzativi di ELI ERIC

7.2.1. Avviare il funzionamento

Le risorse combinate e l’attenzione prestata a ELI ERIC avranno un impatto profondo e a lungo termine sulla scienza del settore e sull’avanzamento tecnologico. Tuttavia il primo obiettivo è pragmatico e localizzato: avviare e unire simultaneamente la gestione di due impianti e integrare in modo efficiente le risorse.

ELI ERIC, in linea con il regolamento (CE) n. 723/2009, è un’infrastruttura di ricerca ubicata in un unico sito con più sedi operative negli Stati membri ospitanti in aggiunta alla sede legale. Anche se esistono altre organizzazioni scientifiche ubicate in più siti, vi sono pochissimi progetti europei nuovi, basati in diversi paesi e che utilizzano i fondi strutturali al fine di unirsi in un’unica infrastruttura di ricerca. Inoltre non esistono grandi impianti basati sui laser per gli utenti. ELI ERIC avrà innanzitutto bisogno di rendere operativi gli impianti prima di dedicarsi a interessi più ampi. Si tratta di una sfida tecnica e gestionale.

7.2.2. Avviare la collaborazione

Il secondo obiettivo è quello di individuare opportunità per creare sinergie tecniche tra i centri leader europei di laser a impulsi brevi e ad alta potenza. Storicamente, i laser di classe PW ad alta potenza sono sempre stati difficili da gestire nell’ottica di metterli a disposizione degli utenti, con problematiche legate all’affidabilità e al costo della sostituzione dei componenti. Una volta combinati fra loro, gli impianti ELI disporranno di per sé di oltre 30 PW di potenza.

Con partner presso gli impianti nazionali in Francia, Germania, Spagna, Regno Unito e Italia (tutti membri di Laserlab Europe), ELI ERIC riunirà la più grande concentrazione di impianti laser avanzati a impulsi brevi e ad alta potenza della storia. Non esiste niente di paragonabile, perché l’ambizione è quella di creare una collaborazione senza precedenti per individuare i componenti e i processi che inibiscono il funzionamento dei laser di classe PW e trovare soluzioni e approcci standard per le operazioni.

Si prevede che, lavorando insieme, e con la collaborazione dell’industria, gli impianti possano ridurre il costo delle operazioni anche del 30 %, in alcuni casi, e aumentare la disponibilità per gli utenti fino al 90 % del tempo del fascio. Ciò offre la possibilità di realizzare economie di scala e di diversificazione uniche, consentendo notevoli progressi tecnologici in un breve periodo. Tali progressi avranno ripercussioni a livello globale in tutto il settore del laser.

7.2.3. Consolidare la reputazione

La terza ambizione è di dimostrare scientificamente le prestazioni e le potenzialità dei sistemi ELI ERIC già all’inizio della fase operativa del programma scientifico. Gli impianti ELI, coadiuvati dall’esperienza di altri impianti partner, tenteranno di avere a disposizione l’80 % delle ore utente stimate per impianto entro il 2021, rendendo operativo il 90 % dei sistemi laser primari, la maggior parte dei quali sono ad alta o media frequenza di ripetizione.

Per fare un confronto, lo stato dell’arte odierno per i laser di classe PW prevede diversi colpi all’ora e ELI ERIC e alcuni impianti partner mirano ad operare a frequenze di Hz e multi-Hz. Tale aspetto è ancor più degno di nota se si considera che ELI ERIC opera in alcuni casi con laser leader a livello mondiale in termini di prestazioni. Gli inviti anticipati consentiranno esperimenti a tali tassi di ripetizione rafforzati, con sviluppi congiunti e la produzione di obiettivi per gli utenti.

Questi esperimenti non solo porteranno a scoperte pionieristiche, ma consentiranno anche prestazioni da «primato mondiale» delle sorgenti secondarie, come ad esempio l’accelerazione del campo di scia GeV. Tali esperimenti innovativi controllati nelle prime fasi di operatività degli impianti, in combinazione con ampie attività di informazione e divulgazione, genereranno un forte interesse nei confronti di ELI ERIC e della scienza del laser in generale. Ciò avrà un impatto sull’intera scienza del laser in Europa e nel mondo, portando a molte applicazioni pratiche, come le terapie avanzate per la cura del cancro e la trasformazione dei rifiuti nucleari pericolosi. L’ambizione è quella di dimostrare questo potenziale e creare una base crescente e sostenibile a sostegno di ELI ERIC e di tutta la scienza del laser in Europa.

7.2.4. Stimolare l’innovazione

L’impatto di ELI ERIC sull’innovazione e la tecnologia del settore del laser non cesserà al termine della fase di costruzione. L’attuale sfida della fase operativa è uno sviluppo tecnologico sostenibile. ELI creerà rapporti a lungo termine con partner industriali per affrontare i problemi di approvvigionamento di componenti essenziali e del continuo sviluppo tecnologico, prestando un’attenzione particolare alla sostenibilità delle operazioni.

In termini di rapporti con l’industria, una delle sfide sarà quella di instaurare un dialogo con i fornitori per individuare i limiti legati ai miglioramenti dei prodotti o ai processi di mitigazione del rischio (ampia disponibilità di parti di ricambio, fornitori multipli ecc.), in particolare nella prospettiva di un funzionamento sostenibile degli impianti ELI nel lungo termine.

Lo sviluppo tecnologico guidato dalle esigenze di ELI ERIC continuerà durante la fase operativa. Di seguito sono riportati alcuni esempi:

— componenti ottici essenziali per i laser ad alta potenza/alta frequenza di ripetizione. L’ottica di trasporto e focalizzante, così come i reticoli di diffrazione ed i materiali attivi, devono essere ulteriormente sviluppati per resistere a lungo agli impulsi ad elevata energia e ad alta potenza di picco attraverso diametri elevati del fascio e per un elevato numero di colpi;

— impulsi brevi, metrologia di grandi fasci. Sono necessarie soluzioni dirompenti per misurare le prestazioni dei sistemi a impulsi brevi e grandi fasci, così da favorire la comprensione dei risultati scientifici unici che si potranno ottenere con gli impianti ELI;

— controllo completo per sistemi complessi. I sistemi sperimentali devono garantire le prestazioni e il corretto funzionamento. Sono necessari sistemi di controllo intelligenti e completamente interfacciati.

Gli impianti ELI si concentreranno sulle collaborazioni con partner industriali in grado di rivoluzionare il settore delle tecnologie attuali con soluzioni innovative. Il contenuto innovativo non si concentrerà solo sulla parte tecnica a breve termine, ma affronterà anche le questioni della sostenibilità della soluzione sul lungo termine, per garantire a ELI ERIC le migliori prestazioni, il tempo di attività più lungo e il controllo più efficace possibile dei costi di manutenzione. I risultati scientifici unici di ELI ERIC si baseranno, nel lungo periodo, sulla maggior parte delle soluzioni tecnologiche sostenibili dei laser ad elevata potenza di picco.

7.2.5. Impatto nei paesi ospitanti

Una ragione fondamentale per l’investimento in ELI ERIC e per la sua ubicazione in paesi dell’Europa centrale risiede nella volontà di esercitare un impatto sulle regioni con centri di ricerca e tecnologia di alto valore. Esistono diversi studi riguardanti altre infrastrutture di ricerca che indicano che buona parte degli investimenti e dell’impatto delle innovazioni ha un raggio d’azione di 100 chilometri dall’impianto, dimostrando che la prossimità conta. Alcuni impatti previsti sono:

— impatto diretto dell’investimento – Si prevede che i paesi ospitanti ricevano il 50-80 % dei fondi per i costi operativi da altri membri, il che significa che gli investimenti dovrebbero avere un impatto diretto sull’economia locale. ELI terrà traccia di tali impatti e riferirà in merito. Si prevede che oltre il 50 % degli investimenti sarà speso all’interno della regione, interessando due diverse aree dell’Europa centrale;

— maggiori opportunità per i ricercatori locali/nazionali – Gli impianti ELI sono tutti situati in città (Praga, Szeged) che ospitano università. Ogni università, consapevole dei prossimi sviluppi di ELI ERIC, ha inserito studenti e personale accademico in programmi che approfittano della vicinanza. Nel contesto di questo progetto sono previste specifiche attività informative dedicate ai ricercatori locali, in modo che, entro 10 anni dalla costituzione di ELI ERIC, ogni paese disponga di ricercatori leader nel settore;

— aumento di opportunità di innovazione per l’industria locale – Al di là degli impatti diretti degli investimenti sopra descritti, la prossimità agli impianti promuoverà l’innovazione in almeno due modi misurabili. In primo luogo, l’industria capace vedrà un’opportunità e approccerà l’impianto in modo proattivo sia per vendere prodotti sia per cercare di capire come adattare la sua offerta all’impianto. Attraverso eventi di «informazione dell’industria», sia le équipe responsabili degli acquisti sia i funzionari di collegamento con l’industria contribuiranno ad agevolare la condivisione delle informazioni sugli impianti. In aggiunta, in alcune aree avere un fornitore locale può essere vantaggioso per gli impianti per ragioni strategiche. Ciò può essere dovuto ai bassi costi nell’area, ma più probabilmente alla prossimità e alla comodità di accesso ai fornitori nell’ottica di adattare le soluzioni tecniche.

8. RISCHI PRINCIPALI

8.1. Analisi del rischio

Tabella 15

Valutazione dei rischi di alto livello per l’attuazione degli impianti di ELI ERIC

Rischi potenziali Probabilità Bassa 1-5 Alta Incidenza Bassa 1-5 Alta Prevenzione/mitigazione Attrarre personale e retribuzione competitiva – Sussiste il rischio che ELI ERIC avrà difficoltà ad attirare esperti «di livello mondiale» nel proprio personale. 4 5 Reclutamento attivo, contratti a termine, opportunità di ricerca, iniziative relative alla «qualità della vita» Rischio tecnico di non rispettare i parametri essenziali – ELI rischia di non raggiungere alcuni parametri chiave delle prestazioni, il che può compromettere alcune possibilità sperimentali. 3 3 Pianificazione e dialogo con la comunità di utenti e l’ISTAC per gestire le aspettative e determinare le priorità sperimentali alternative. Aumento degli stipendi nei primi 5 anni – Gli stipendi di ELI ERIC aumenteranno ogni anno in modo significativo, nell’ordine del 5-10 %, alla luce delle dinamiche del mercato del lavoro locale. 5 3 Pianificazione e dialogo con il personale che determina le aspettative Obsolescenza di attrezzature/componenti – La tecnologia dei sistemi laser si svilupperà rapidamente nel corso del prossimo anno ed ELI rischia di non essere competitiva in assenza di un investimento costante di capitali. 3 4 Pianificazione sotto forma di tabella di marcia tecnologica; ricerca di finanziamenti complementari Esperienze iniziali negative da parte degli utenti – Danni iniziali a causa a) delle scarse prestazioni dell’impianto, b) della mancanza di sostegno da parte del personale, c) di una comunicazione/gestione inadeguata delle aspettative. Ciò può determinare una reputazione negativa tra i ricercatori e una diffusione molto lenta dei servizi. 3-4 4-5 Lavorare all’inizio a stretto contatto con «utenti amichevoli», indagini tra gli utenti, piano per «coordinatori degli utenti» per offrire servizi di «assistenza» Mancata integrazione degli impianti ELI – A causa di problemi di gestione/di governance, la fusione organizzativa è in ritardo o non riesce. Ciò comporta un aumento dei costi e danni all’integrità e alla reputazione di ELI-ERIC. 2 5 Un attento monitoraggio della gestione, una «gestione del cambiamento» supportata di alto livello e seminari di formazione, risorse dedicate e aspettative ragionevoli riguardo alle tempistiche

(1) Regolamento (CE) n. 723/2009 del Consiglio, del 25 giugno 2009, relativo al quadro giuridico comunitario applicabile ad un consorzio per un’infrastruttura europea di ricerca (ERIC) (GU L 206 dell’8.8.2009, pag. 1).

(*1) La tecnologia CPA e del laser a stato solido hanno spinto la presente intensità di picco oltre la gamma di 1022 W/cm2. ELI ERIC aumenterà la gamma di più di un ordine di grandezza. È mostrato anche l’esperimento SLAC E144 (punto blu), che ha raggiunto l’alta intensità aumentando l’interazione laser-materia in un quadro relativistico. Le linee orizzontali indicano l’intensità dell’energia ponderomotrice (oscillante) Up di un elettrone prodotto da un laser allo zaffiro di titanio da 800 nm pari a un’unità atomica; e per Up pari alla massa a riposo dell’elettrone; o l’obiettivo finale dell’intensità Schwinger Y = 1 dove il vuoto diventa instabile e la luce è convertita in materia. Fonte: Gérard Mourou, École Polytechnique.

(2) https://op.europa.eu/s/pcrm

(*2) Il grafico include impianti operativi e in costruzione. Fonte: J. Collier, Rutherford Central Laser Facility.