Riassunto:
Gli scienziati studiano da più di 2.000 anni che la terra è rotonda, ma i sostenitori della "teoria della terra piatta" ci credono ancora fermamente. Alcune persone sono addirittura disposte ad "andare fino alla fine del mondo" per trovare prove, ma non hanno ancora trovato la cosiddetta fine. Mettendo da parte la forma della Terra, i ricercatori del Royal Institute of Technology in Svezia e dell’Università di Southampton nel Regno Unito hanno recentemente sviluppato una tecnologia che dimostra che nel campo del rilevamento in fibra ottica, le strutture piatte possono essere significativamente migliori delle strutture circolari.
Il gruppo di ricerca ha sviluppato una fibra ottica di silice piatta a forma di nastro. Questo tipo di fibra ottica può essere progettata strutturalmente per produrre una risposta molto più forte agli effetti fisici rispetto alle tradizionali fibre ottiche cilindriche, quindi può diventare un sensore con prestazioni migliori. I ricercatori l'hanno chiamata "Fibra piatta ad alto rapporto di aspetto" (HARFF). In un test comparativo, la sensibilità alla pressione di questa fibra ottica è stata fino a 1.000 volte quella delle fibre ottiche tradizionali; un'altra versione riempita con metallo interno ha mostrato capacità di rilevamento della temperatura più forti. Il gruppo di ricerca ha utilizzato un'unica preforma sperimentale per ricavare questa speciale fibra ottica lunga oltre 120 metri, dimostrandone la fattibilità produttiva.
L'uso più noto della fibra ottica è come filamento di vetro che trasmette dati, trasportando informazioni in tutto il mondo attraverso impulsi di luce. Tuttavia, anche le fibre ottiche sono sensori molto capaci. Effetti esterni come allungamento, pressione o temperatura possono modificare leggermente le proprietà fisiche e ottiche del vetro. Questi effetti esterni possono essere misurati monitorando i cambiamenti della luce mentre viaggia attraverso la fibra.
Un'analogia approssimativa ma intuitiva è quella del tubo per l'irrigazione. Quando le persone stringono una determinata sezione del tubo, il flusso dell'acqua cambia. Misurando la variazione del flusso d'acqua, gli ingegneri possono capire quanta pressione viene applicata. Il rilevamento in fibra ottica utilizza un principio simile, ma è molto più sensibile. I ricercatori inviano luce nelle fibre ottiche, misurano come cambiano i segnali luminosi e utilizzano questi cambiamenti per dedurre ciò che la fibra ottica ha sperimentato.
Un approccio comune consiste nell'utilizzare reticoli in fibra di Bragg. Questi reticoli sono minuscole strutture periodiche scritte all'interno di fibre ottiche che riflettono specifiche lunghezze d'onda della luce. Quando una fibra ottica viene allungata o compressa, la lunghezza d'onda della luce riflessa cambia, fornendo agli ingegneri un "righello ottico" per misurare la deformazione.
Le fibre ottiche di silice convenzionali sono tipicamente cilindriche, una geometria ideale per misurare le forze che agiscono lungo l'asse della fibra. Tuttavia, i cilindri di vetro massiccio rispondono debolmente alle forze laterali e alla pressione idrostatica provenienti da tutte le direzioni circostanti, con conseguenti limitazioni significative sulla loro sensibilità, che è una delle proprietà più desiderabili della tecnologia di rilevamento.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno cambiato la forma del vetro. Invece di realizzare prima una fibra rotonda e poi provare ad appiattirla, hanno progettato HARFF in una struttura piatta nella fase di preforma, ottenendo una struttura solida con un rapporto d'aspetto vicino a 20:1. Questa geometria piatta a forma di nastro rivoluziona il modo in cui le fibre ottiche rispondono alle forze esterne. In poche parole, la forza necessaria per piegare un'asta rotonda non è la stessa che per piegare un righello sottile. La struttura piatta farà sì che la fibra ottica risponda più facilmente alle forze di flessione come un righello.
Con HARFF, gli ingegneri possono regolare individualmente la larghezza, lo spessore, lo spessore delle pareti e i canali interni della fibra per progettare in modo specifico i punti in cui il vetro si piega e dove si concentra lo stress.
Nel sensore di pressione, il gruppo di ricerca ha progettato due canali d'aria che si estendono longitudinalmente all'interno della fibra ottica. Questa struttura asimmetrica appositamente progettata si deforma quando viene applicata una pressione esterna, causando vari gradi di deformazione in diverse direzioni attorno alla guida d'onda ottica. Di conseguenza cambia anche una proprietà della fibra chiamata “birifrangenza”. Birifrangenza significa che la luce che viaggia in due direzioni di polarizzazione perpendicolari l'una all'altra sperimenterà indici di rifrazione leggermente diversi nello stesso pezzo di vetro.
I ricercatori hanno poi scritto due identici reticoli di Bragg in fibra nella guida d'onda ottica, formando una minuscola cavità ottica tra di loro. Quando la luce si propaga all'interno di questa cavità ottica, produce una caratteristica figura di interferenza. Quando la pressione deforma il vetro, la sua birifrangenza cambia e lo schema di interferenza cambia in modo misurabile.
In termini semplici, la pressione deforma la fibra del nastro, modificando le proprietà ottiche del vetro, e il segnale luminoso modificato indica ai ricercatori quanta pressione è stata applicata.
I ricercatori hanno inserito questo sensore proof-of-concept in un recipiente a pressione per testarlo, con una pressione di prova che arriva fino a 0,40 MPa. I risultati della misurazione mostrano che la sua risposta picco-valle raggiunge 7,24 dB/MPa; se calcolata utilizzando un altro metodo di analisi, la sensibilità alla pressione raggiunge un massimo di 31,6 rad/MPa. Allo stesso tempo, la sensibilità incrociata della temperatura è inferiore all’1% della sensibilità alla pressione, il che aiuta i ricercatori a distinguere i cambiamenti di pressione dai cambiamenti di temperatura.
Il gruppo di ricerca ha affermato che, rispetto alle fibre ottiche comparabili che utilizzano nuclei ellittici e sezioni trasversali circolari, la sensibilità di HARFF è stata migliorata fino a tre ordini di grandezza, ovvero circa 1.000 volte. Affermano inoltre che le prestazioni di HARFF migliorano fino a due ordini di grandezza rispetto ad altri progetti di fibre di silice ottimizzati per il rilevamento della pressione idrostatica.
Oltre al rilevamento della pressione, i ricercatori hanno anche dimostrato che la stessa piattaforma di vetro di base può essere progettata anche come sensore di temperatura. Nel sensore di temperatura, hanno riempito un canale interno dell'Harff con una lega a base di stagno. Il coefficiente di dilatazione termica del biossido di silicio è di circa 0,5×10⁻⁶/K, mentre il coefficiente di dilatazione termica di questa lega è di circa 23×10⁻⁶/K. Quando i due vengono riscaldati, il metallo tenta di espandersi ben oltre quanto consentito dal vetro circostante. Questa differenza di espansione crea stress nella silice, modificandone la birifrangenza e formando nuovamente un segnale ottico che può essere misurato.
I ricercatori ritengono di aver non solo creato un sensore più potente, ma anche di aver trasformato la geometria e la struttura interna della fibra in nuove variabili di progettazione ingegneristica.
Pavel Maniewski, ricercatore presso il Royal Institute of Technology, ha affermato che questa non è solo una fibra ottica con un aspetto diverso, ma apre un nuovo spazio di progettazione per le fibre ottiche. Modificando la geometria, è possibile far sì che il vetro stesso risponda in modo più significativo all'ambiente fisico circostante.
Modificando la larghezza della fibra, lo spessore, i canali dell'aria, la posizione della guida d'onda ottica o i materiali che riempiono questi canali, si prevede che in futuro la stessa piattaforma di produzione di base sarà ottimizzata per diversi tipi di esigenze di rilevamento. Ad esempio, l’inserimento di tale fibra ottica in un’ala composita consentirebbe il monitoraggio dei carichi e delle deformazioni senza dover predisporre una rete di un gran numero di sensori elettronici tradizionali.
Fibre ottiche simili possono essere utilizzate anche in campi come droni, ponti, strutture industriali e batterie. In questi scenari, i cambiamenti nella temperatura o nella pressione interna possono fungere da segnali premonitori di guasti alle apparecchiature. Inoltre, la fibra ottica presenta anche il vantaggio di essere leggera, di piccole dimensioni e non soggetta a interferenze elettromagnetiche.
Naturalmente, c'è ancora molta strada da percorrere da un'imponente fibra ottica da laboratorio a un'applicazione pratica che consentirebbe agli aerei di avere qualcosa di simile a un "sistema nervoso di vetro". L'attuale HARFF è ancora in fase di prova di concetto. I ricercatori hanno misurato una perdita di propagazione della luce di circa 0,16 dB/metro, che secondo loro è dovuta principalmente alla geometria del nucleo sperimentale e al materiale di silice utilizzato, piuttosto che ai limiti intrinseci della fibra piatta stessa.
Inoltre, la perdita generata quando HARFF viene giuntato con la fibra ottica tradizionale è solitamente inferiore a 3 decibel, il che significa che c'è ancora molto spazio per l'ottimizzazione di questa tecnologia.
Il prossimo passo del gruppo di ricerca prevede di migliorare ulteriormente le capacità di controllo della forma delle fibre, ridurre la perdita ottica e promuovere HARFF da sensore provvisorio a sistema reale. Il Royal Institute of Technology ha sottolineato che i droni intelligenti, i materiali compositi avanzati e le tecnologie energetiche più sicure sono tutte possibili direzioni applicative future di questa tecnologia.
Va notato che questa ricerca si concentra sul rilevamento in fibra ottica, non sulla trasmissione dei dati delle telecomunicazioni. Nel campo delle telecomunicazioni, la tradizionale fibra ottica circolare è ancora lo standard principale.
Questa ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.
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