L'ESA non fa routine. Da nessuna parte questo è più vero che per la scienza, dove l'obiettivo di ogni nuova missione è osservare l'universo in modi nuovi. Sono necessarie nuove tecnologie per rendere possibili tali missioni, molti anni in anticipo. La Direzione Tecnica e Gestione della Qualità dell'ESA ha il compito di anticipare tali esigenze, per rendere disponibile la tecnologia giusta al momento giusto, e risolvere eventuali problemi tecnici sorti durante lo sviluppo.

La necessità scientifica era chiara per un osservatorio a raggi X più capace per sondare da 10 a 100 volte più in profondità nel cosmo, per osservare il più caldo, oggetti celesti ad alta energia. L'ESA ha scelto di sviluppare la missione Athena, per il lancio nel 2028. Ma la missione richiedeva una tecnologia ottica a raggi X completamente nuova.

I raggi X energetici non si comportano come le tipiche onde luminose; non possono essere riflessi in uno specchio standard. Invece possono essere riflessi solo ad angoli poco profondi, come pietre che sfiorano l'acqua. Quindi più specchi devono essere impilati insieme:XMM-Newton, lanciato dall'ESA nel 1999, ha 174 specchi di nichel placcati in oro annidati uno dentro l'altro. Tuttavia, Athena ha bisogno di decine di migliaia di lastre di specchi densamente imballate:la vecchia tecnologia era al limite, e si doveva trovare una soluzione molto più leggera.

Il risultato è stato "l'ottica a pori di silicio", una tecnologia letteralmente sviluppata qui a ESTEC, con l'ESA che condivide il brevetto con il fondatore di Cosine Research, l'azienda che lo sta attualmente sviluppando. L'idea è quella di impilare wafer di silicio industriali, normalmente utilizzati per la fabbricazione di semiconduttori.

Questi wafer possiedono già la necessaria rigidità, superfici a massa ridotta e superlucidate - che possiedono una planarità praticamente su scala atomica - e in realtà si legano facilmente quando vengono messe insieme. Il punto chiave è che l'industria dei semiconduttori ha già reso disponibili questi wafer a un prezzo ridicolmente basso, mentre padroneggiamo i macchinari e i processi di cui abbiamo bisogno. Quindi stiamo davvero cavalcando un'onda esistente di ricerca e sviluppo terrestre.

Molti potenziali problemi sono già stati risolti nell'ambito delle attività di sviluppo tecnologico dell'ESA. I nostri wafer hanno delle scanalature al loro interno, lasciando nervature di irrigidimento, per formare i "pori" lungo i quali passano i raggi X. Dopo essere stati rivestiti con metallo riflettente sono pronti per l'impilamento. Questa nervatura viene eseguita adattando l'attrezzatura normalmente utilizzata per tagliare i wafer in singole chips, tranne che non tagliamo completamente il silicio.

L'impilamento è la parte più innovativa del processo produttivo, dove è andata la maggior parte del nostro investimento:utilizzo di un braccio robotico in un ambiente di camera bianca per evitare qualsiasi contaminazione da polvere, mirando al millesimo di millimetro di precisione della scala. I wafer a coste devono essere premuti insieme con una forza sufficiente per farli aderire senza rompersi. Il loro allineamento viene verificato immediatamente dopo mediante un sistema di misurazione ottico. Le pile devono seguire una leggera curvatura, rastremandosi verso il punto desiderato. Queste pile vengono quindi incollate nei moduli utilizzando un adesivo standard qualificato per lo spazio. Quindi testiamo questi moduli all'interno di strutture di sincrotrone a raggi X.

La tecnologia non è ancora completamente qualificata per lo spazio:deve ancora superare i test d'urto tra gli altri test ambientali, e dobbiamo mostrare che i moduli possono essere co-allineati con la precisione di cui Athena ha bisogno, ma è la linea di base della missione.

L'ottica dei pori del silicio è iniziata attraverso un progetto iniziale TRP, dove stavamo esaminando la sua fattibilità di base. La ricerca e lo sviluppo sono stati quindi sostenuti attraverso il programma tecnologico di base di Science, con il continuo coinvolgimento di TEC. Mentre il lancio è distante 12 anni, dobbiamo fornire lo specchio di volo completo tre o quattro anni prima, per consentirne il test e l'integrazione, e abbiamo centinaia di moduli – e restanti sfide tecniche – ancora da fare.