Laboratorio e Tecnologie per l’Optometria

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Caratterizzazione criogenica e dinamica di componenti ottiche per missioni spaziali

Il gruppo EXOPA dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo è impegnato nello sviluppo e nella qualifica di tecnologie ottiche e termo-meccaniche all’avanguardia per missioni spaziali. Queste attività uniscono competenze di astrofisica, fisica sperimentale, ingegneria meccanica e ottica, e fanno del gruppo EXOPA un riferimento strategico a livello nazionale per la qualifica di componenti ottici aerospaziali.

Attualmente il focus primario è rivolto al contributo italiano alla missione ESA Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey), che avrà il compito di studiare le atmosfere di circa mille esopianeti.

Le attività del Gruppo EXOPA

Per raggiungere questi obiettivi, il gruppo porta avanti filoni di indagine e test altamente specializzati.

Struttura criogenica e test ottici. Presso i laboratori INAF-OAPA è stata realizzata una nuova facility, ottenuta dall’upgrade della beamline XACT. Unica nel panorama nazionale, consente di simulare le condizioni estreme dello spazio (vuoto spinto di 10^-8 mbar e temperature criogeniche di circa 140 K) per testare componenti di grandi dimensioni, come lo specchio primario in alluminio M1 di Ariel (diametro di 1 metro). Attraverso misure interferometriche ad alta precisione si caratterizzano le deformazioni termo-elastiche della superficie ottica, per validare i modelli predittivi e contribuire a ridurre i rischi (de-risking) del telescopio prima del lancio.

Caratterizzazione meccanica dei rivestimenti. Parallelamente, è stata sviluppata una metodologia sperimentale non distruttiva basata sull’analisi modale per caratterizzare le proprietà meccaniche dei rivestimenti in nichel-fosforo (Ni-P) applicati sugli specchi in alluminio. Questa tecnica consente di estrarre i parametri elastici del coating (densità, modulo di Young, coefficiente di Poisson), validare i modelli FEM (Finite Element Method) e verificare la presenza di eventuali effetti anisotropi o difetti indotti dai cicli termici, garantendo così l’affidabilità e le prestazioni ottiche degli strumenti nello spazio.

Misure di riflettività assoluta. Infine, grazie alla collaborazione con il CNR di Padova, è stato messo a punto un sistema per la misura assoluta della riflettività di specchi di grandi dimensioni, utilizzando una sfera integratrice e una configurazione ottica personalizzata. Questo setup consente di effettuare misure direttamente sulla superficie rivestita del modello ingegneristico dello specchio primario M1 di Ariel, fornendo un benchmark indipendente per i modelli ottici e confermando la fattibilità di una caratterizzazione in situ.

Referenze principali

• “Development of a cryogenic test facility for Ariel’s primary mirror”, D’Anca, Collura, Cardinale et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Non-destructive dynamic characterization of thin Ni-P coatings on Ariel AW6061-T651 mirrors using modal analysis”, Cardinale, Collura, D’Anca et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Exodus: A mission proposal to explore exoplanet evolution through understanding atmospheric escape” [LINK AL PAPER], Rosete, Dasi, Boyd, Kahle, Cardinale et al., 2026, Advances in Space Research, 77(5), 6564-6583
• “Single-point diamond turning optimization for the Ariel M1 large off-axis parabolic aluminum mirror”, Lilli, Scippa, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “The Ariel telescope assembly: technical solutions and tests of an aluminum-based telescope”, Picchi, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Absolute reflectivity measurement for large telescope mirrors: setup and first insights”, Chioetto, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Ariel payload STOP analysis: updated results on the in-flight operational cases for the telescope assembly”, Brucalassi, Araiza-Durán, … D’Anca, Cardinale et al., 2026, Proceedings SPIE, under review

Collaborazioni nazionali e internazionali

Le attività di sviluppo e qualifica della strumentazione spaziale richiedono una stretta sinergia tra ricerca, mondo accademico e settore industriale. Per questo il gruppo opera all’interno di un’ampia e consolidata rete di collaborazioni strategiche a livello nazionale e internazionale, che coinvolge le principali agenzie spaziali, istituti di ricerca di eccellenza e aziende leader nell’alta tecnologia per la manifattura e la validazione dei componenti:

• Ariel Telescope Assembly Team (contributo italiano)
• MetaLAB (INAF-OAPA)
• Università di Firenze (DII/DFA)
• CNR-IFN Padova
• INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri
• Sapienza Università di Roma
• Laboratori BS, Media Lario S.r.l. e LT Ultra-Precision Technology GmbH per la manifattura di componenti e specchi
• Leonardo S.p.A.
• ASI (Agenzia Spaziale Italiana)
• ESA (European Space Agency)
• RAL (Rutherford Appleton Laboratory)

Persone

	Vincenzo Davide Cardinale Ricercatore Email: vincenzo.cardinale @inaf.it ORCID: 0009-0007-7885-7708		Fabio D’Anca Tecnologo Email: fabio.danca @inaf.it ORCID: 0000-0001-7834-5760
	Elisa Guerriero Ricercatore Email: elisa.guerriero @inaf.it ORCID: 0000-0002-6586-0621		Alberto Gulizzi Tecnico di laboratorio
	Andrea Meduri Tecnico di laboratorio		Claudio Saitta Tecnico di laboratorio
	Luisa Sciortino Tecnologo Email: luisa.sciortino @inaf.it ORCID: 0000-0002-4725-357X

🇬🇧 English version

Cryogenic and dynamic characterisation of optical components for space missions

The EXOPA group at INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo works on the development and qualification of state-of-the-art optical and thermo-mechanical technologies for space missions. These activities combine expertise in astrophysics, experimental physics, and mechanical and optical engineering, making EXOPA a national reference for the qualification of aerospace optical components.

The current main focus is the Italian contribution to the ESA Ariel mission (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey), which will study the atmospheres of about one thousand exoplanets.

EXOPA activities

To achieve these goals, the group carries out highly specialised lines of investigation and testing.

Cryogenic facility and optical tests. A new facility, obtained by upgrading the XACT beamline, has been built at the INAF-OAPA laboratories. Unique in Italy, it simulates the extreme conditions of space (high vacuum of 10^-8 mbar and cryogenic temperatures of about 140 K) to test large components such as Ariel’s 1-metre aluminium primary mirror M1. High-precision interferometric measurements characterise the thermo-elastic deformations of the optical surface, validating predictive models and contributing to the de-risking of the telescope before launch.

Figure 1 Top: Ariel’s primary mirror M1 installed inside the vacuum chamber before the cryogenic tests. Bottom: comparison of interferometric surface form error (SFE) measurements between the Structural Model (SM) and the Engineering Model (EM) of Ariel’s primary mirror M1.

Mechanical characterisation of coatings. In parallel, a non-destructive experimental method based on modal analysis has been developed to characterise the mechanical properties of the nickel-phosphorus (Ni-P) coatings applied to aluminium mirrors. This technique allows us to extract the elastic parameters of the coating (density, Young’s modulus, Poisson’s ratio), validate FEM (Finite Element Method) models and check for anisotropic effects or defects induced by thermal cycling, ensuring the reliability and optical performance of instruments in space.

Figure 2 Top: experimental FRF data acquired on an aluminium mirror sample. Bottom: excellent agreement between FEM predictions and experimental data for the first three vibrational modes.

Absolute reflectivity measurements. Finally, in collaboration with CNR Padova, a system has been set up to measure the absolute reflectivity of large mirrors, using an integrating sphere and a custom optical configuration. This setup allows measurements directly on the coated surface of the engineering model of Ariel’s primary mirror M1, providing an independent benchmark for optical models and confirming the feasibility of in-situ characterisation.

National and international collaborations

Developing and qualifying space instrumentation requires close synergy between research, academia and industry. The group therefore works within a broad, well-established network of national and international collaborations, involving the main space agencies, leading research institutes and high-tech companies for component manufacturing and validation:

• Ariel Telescope Assembly Team (Italian contribution)
• MetaLAB (INAF-OAPA)
• University of Florence (DII/DFA)
• CNR-IFN Padova
• INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri
• Sapienza University of Rome
• Laboratori BS, Media Lario S.r.l. and LT Ultra-Precision Technology GmbH for component and mirror manufacturing
• Leonardo S.p.A.
• ASI (Italian Space Agency)
• ESA (European Space Agency)
• RAL (Rutherford Appleton Laboratory)

Main references

• “Development of a cryogenic test facility for Ariel’s primary mirror”, D’Anca, Collura, Cardinale et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Non-destructive dynamic characterization of thin Ni-P coatings on Ariel AW6061-T651 mirrors using modal analysis”, Cardinale, Collura, D’Anca et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Exodus: A mission proposal to explore exoplanet evolution through understanding atmospheric escape” [PAPER LINK], Rosete, Dasi, Boyd, Kahle, Cardinale et al., 2026, Advances in Space Research, 77(5), 6564-6583
• “Single-point diamond turning optimization for the Ariel M1 large off-axis parabolic aluminum mirror”, Lilli, Scippa, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “The Ariel telescope assembly: technical solutions and tests of an aluminum-based telescope”, Picchi, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Absolute reflectivity measurement for large telescope mirrors: setup and first insights”, Chioetto, … D’Anca, Cardinale, Guerriero et al., 2026, Proceedings SPIE, under review
• “Ariel payload STOP analysis: updated results on the in-flight operational cases for the telescope assembly”, Brucalassi, Araiza-Durán, … D’Anca, Cardinale et al., 2026, Proceedings SPIE, under review

Team

	Vincenzo Davide Cardinale Researcher Email: vincenzo.cardinale @inaf.it ORCID: 0009-0007-7885-7708		Fabio D’Anca Technologist Email: fabio.danca @inaf.it ORCID: 0000-0001-7834-5760
	Elisa Guerriero Researcher Email: elisa.guerriero @inaf.it ORCID: 0000-0002-6586-0621		Alberto Gulizzi Laboratory technician
	Andrea Meduri Laboratory technician		Claudio Saitta Laboratory technician
	Luisa Sciortino Technologist Email: luisa.sciortino @inaf.it ORCID: 0000-0002-4725-357X