Spazio 4.0 con accento italiano

Nato negli anni ’80 per dare slancio al settore aerospaziale italiano, il CIRA è la struttura cui lo Stato ha affidato il compito di attuare il Programma Nazionale di Ricerca Aerospaziale. Da alcuni anni, però, gli interessi del CIRA non si limitano più al solo aerospazio perché, dopo circa un trentennio di attività, le conoscenze acquisite in questo settore stanno aprendo nuove e straordinarie possibilità di applicazione in altri campi altrettanto strategici, come il controllo del territorio e la tutela dell’ambiente.
Romualdo Gianoli, 06 Maggio 2018
Micron
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Giornalista Scientifico

Al CIRA si arriva percorrendo una stradina secondaria che si stacca dall’Appia prima di entrare a Capua, attraversando la campagna casertana. Sembra di addentrarsi nel nulla poi, all’improvviso, ci si ritrova in uno spiazzo dominato da un grosso checkpoint in cemento e vetri scuri, unico varco in una lunga cancellata bianca che continua, a perdita d’occhio, a destra e a sinistra. Oltre l’edificio s’intravede, sul prato di una rotonda, il modello di un veicolo spaziale, una specie di piccolo Shuttle, pronto a lanciarsi verso il cielo.
Nato negli anni ’80 per dare slancio al settore aerospaziale italiano, il CIRA è la struttura cui lo Stato ha affidato il compito di attuare il Programma Nazionale di Ricerca Aerospaziale (ProRA). Nelle sue strutture lavorano 370 dipendenti, quasi tutti tecnici e ricercatori, che studiano e sperimentano le più avanzate tecnologie aeronautiche e spaziali, grazie agli avveniristici impianti, talvolta unici al mondo, che permettono di compiere test altrimenti impossibili a terra. È il caso del Plasma Wind Tunnel, un vero vanto italiano, perché è l’unico impianto arc-jet al mondo di queste dimensioni e potenza (70 MW e fino a 10000 gradi di temperatura), in grado di simulare le condizioni di pressione ed estreme temperature che i veicoli spaziali incontrano durante la fase di rientro ipersonico in atmosfera.
Il Centro campano è una società consortile a maggioranza pubblica che ha come socio di riferimento l’Agenzia Spaziale Italiana, cui si aggiungono il CNR, la Regione Campania e le principali aziende aeronautiche italiane.
Quest’organizzazione permette al Centro sia di fare ricerca pubblica, partecipando ai programmi europei dell’ESA e delle agenzie spaziali di Russia, Cina e USA, sia di accettare commesse da aziende private che hanno bisogno di eseguire test e pagano per utilizzare gli impianti. Appena poche settimane fa, ad esempio, una società americana che sta costruendo un velivolo per la NASA, ha testato i sistemi di protezione termica di rientro in atmosfera proprio nel Plasma Wind Tunnel. Da alcuni anni, però, gli interessi del CIRA non si limitano più al solo aerospazio perché, dopo circa un trentennio di attività, le conoscenze acquisite in questo settore stanno aprendo nuove e straordinarie possibilità di applicazione in altri campi altrettanto strategici, come il controllo del territorio e la tutela dell’ambiente.

IL CIRA PER L’AMBIENTE
Parlare di ambiente, al CIRA, è un’esperienza del tutto particolare e fuori dal comune. Tanto per cominciare, bisogna fare attenzione e chiarire di quale ambiente stiamo parlando, terrestre o extraterrestre, perché entrambi sono oggetto di studio. Mi chiarisce il punto il presidente del Centro, Paolo Annunziato: «Uno dei progetti più affascinanti, sarà quello per Marte.
Nei nostri spazi realizzeremo una nuova struttura, dove simuleremo l’ambiente marziano con tutte le sue caratteristiche, per verificare la possibilità di coltivare un orto su Marte, con l’idea di sostentare gli equipaggi delle future missioni umane e testeremo anche un rover che dovrà spostarsi sul pianeta rosso. Il progetto per Marte partirà tra il 2018 e il 2020 e sarà realizzato qui al CIRA perché siamo una delle poche strutture al mondo in cui ciò è possibile».
E proprio l’interazione tra tecnologie aerospaziali e problematiche ambientali è al centro di uno dei grandi studi in corso, il progetto Biospace di cui mi parla Roberto Borsa, direttore innovazione e comunicazione del centro: «Biospace è costituito da due grandi filoni. Il primo, che chiamiamo “biorigenerativo”, indaga come la biologia delle piante possa servire da supporto alla vita su altri pianeti, con diverse atmosfere e condizioni ambientali. Il secondo, che definiamo di “bioindicazione” riguarda, invece, il nostro pianeta e consiste nel valutare come le piante, con la loro capillare presenza sul territorio, riescano a fornire indicazioni sulla presenza di elementi patogeni nelle tre matrici (suolo, acqua e aria), in modo da avere indicazioni sulla parte gassosa di deposito, su quella dovuta a eventuali sversamenti e su tutta l’azione derivata dalle acque interne, essenzialmente fiumi e laghi».
L’entusiasmo e la passione per questo filone di Biospace si avvertono e diventano addirittura tangibili quando incontro i ricercatori che vi lavorano.
È un susseguirsi e accavallarsi di spiegazioni e dimostrazioni con un unico scopo: mostrare quello che stanno realizzando per sfruttare le potenzialità che satelliti, droni, aerei e altre piattaforme dotate di tecnologie di monitoraggio, offrono per controllare e salvaguardare quel patrimonio comune a tutti che è l’ambiente naturale. L’incontro, così, diventa anche occasione per il racconto in prima persona di cosa voglia dire fare ricerca scientifica e uno sguardo al dietro le quinte di un impegno quotidiano che può avere importanti risvolti per tutta la società.

LE PIANTE COME SENTINELLE
L’interesse per la biologia vegetale, al CIRA, è nato lavorando alla calibrazione di alcuni satelliti e sulla scorta di una tradizione di monitoraggio ambientale basato sull’analisi dello spettro elettromagnetico. Monitoraggio condotto da satellite o dalle cosiddette piattaforme intermedie, in pratica tutto quanto è compreso tra i 36000 km dell’orbita dei satelliti fino ai droni. Da ciò a immaginare l’uso dei satelliti per ottenere informazioni sulle condizioni di suoli e acque attraverso l’osservazione dello stato di salute delle piante, il passaggio è stato breve, ma non banale. Il primo passo è stato cercare di individuare la presenza di un numero limitato di elementi dannosi. Tra questi, in particolare, la diossinache con la sua attività di deposito permette di ottenere riscontri oggettivi.
Poi le cose sono diventate più sofisticate, grazie all’idea di concentrare l’attenzione su una particolare lunghezza d’onda, quella dei 763 nm, corrispondente a una zona dello spettro al confine del visibile, appena sotto l’infrarosso vicino. Ma perché focalizzarsi su un valore così particolare? Come spiega ancora Roberto Borsa: «È una meravigliosa lunghezza d’onda che, dopo tanti anni, ci consente di indagare il fenomeno della fluorescenza, non quella indotta ma quella naturale.
L’enorme vantaggio, dal punto di vista del telerilevamento, è che non si tratta di una luminosità riflessa ma riemessa. Significa che abbiamo a che fare con uno stato fisiologico delle piante che, per qualsiasi tassonomia di appartenenza, riemettono questa luce in un range compreso tra lo 0 e il 2% della luce irradiata dal Sole, in intervalli di tempo che, a seconda delle specie, vanno da un’ora fino a sette ore dopo l’irradiazione solare.
Naturalmente ci sono specie che riusciamo a cogliere dai satelliti e altre dove il segnale è talmente debole che abbiamo bisogno di popolazioni aggregate come i campi seminati. Il messaggio che riusciamo a cogliere ci dice, essenzialmente, come sta lavorando l’elemento base del funzionamento della pianta e quindi ci restituisce immediatamente l’informazione, ad esempio, sull’eventuale presenza di stress idrico, oppure se c’è una patologia vegetale. La vera scommessa sulla quale i nostri ricercatori sono impegnati, assieme ai tecnici dell’ASI, è riuscire a decifrare il messaggio che ci manda la pianta, così da risalire all’elemento all’origine dello stress. Per arrivare a questo risultato, però, dobbiamo necessariamente avvalerci di una sorta di matrice, dove sulle ascisse c’è la sostanza specifica e sulle ordinate la tassonomia, per collegare la responsività di ogni tipo di pianta alle varie sostanze».
Per realizzare questa “mappa” al CIRA sono partiti, per evidenti ragioni di opportunità, da una segmentazione della vegetazione campana (land cover), ma è evidente che il metodo può essere opportunamente esteso ad ogni altra area del mondo.
Nel promettente settore del telerilevamento ambientale, l’Italia parte con un notevole bagaglio d’esperienza grazie al sistema COSMO-SkyMed, una costellazione di satelliti per osservazioni a terra, basati su radar di tipo SAR in banda X, capace cioè di compiere rilevazioni di giorno e di notte, indipendentemente dalla presenza o meno di nuvole. Questo sistema si è rivelato in più occasioni di grandissima utilità, al punto che i suoi dati sono richiesti anche da altre nazioni in Asia e in America centro-meridionale. Tuttavia l’indicazione ottenuta è limitata alle sole difformità geometriche vegetali macroscopiche e non fornisce altri dati più specifici. Ad esempio può dire dove la vegetazione arretra o genera particolari forme che possono essere interpretate dal punto di vista delle patologie, ma non può fornire dettagli sulla specifica situazione.
Il metodo basato sulla fluorescenza vegetale, al contrario, molto più analitico perché potenzialmente può fornire informazioni sulla natura del problema e rappresenta, dunque, il vero punto d’arrivo che è nell’ambizione di tutti i programmi di monitoraggio ambientale.
Chiaramente un obiettivo così ambizioso, rappresenta una grande sfida scientifica, per la parte delle conoscenze biologiche, e tecnologica per tutta la parte sensoristica, aerospaziale e del software. Non a caso, al CIRA, il livello di multidisciplinarietà è altissimo: biologi, informatici, fisici, ingegneri, matematici e sistemisti collaborano al progetto e i primi risultati concreti sono già disponibili. Così mi mostrano con orgoglio un modello in scala di una situazione reale: un campo completo di vegetazione, terra e corsi d’acqua.
Su questo modello sono già in grado di rilevare, in tempo reale, mediante sensori ottici e un apposito software di interpretazione delle immagini, i livelli di stress idrico di alcune specie di piante, semplicemente misurando con grande precisione la temperatura delle piante. Allo stesso modo possono rilevare e visualizzare in tempo reale la differenza di temperatura derivante dal rilascio di acqua calda in un bacino idrico, simulando lo sversamento illegale, ad esempio, da una fabbrica.

LA PIATTAFORMA STRATOSFERICA
Monitorare dall’alto, con i satelliti, vaste porzioni di territorio, individuando in tempo reale l’introduzione di elementi dannosi per l’ambiente, offre grandi possibilità anche nel campo della prevenzione e repressione dei reati ambientali o ai fini dellebonifiche. Tuttavia al CIRA sono anche consapevoli che i satelliti non sempre sono gli strumenti ideali per questo tipo di monitoraggio, per il semplice motivo che, di solito, si spostano e su una determinata zona passano solo poche volte al giorno o anche meno.
Questo crea un problema in tutte quelle situazioni in cui sarebbe opportuno o necessario monitorare un determinato territorio costantemente, così da seguire in tempo reale i cambiamenti nella vegetazione, ad esempio,  con il metodo della fluorescenza.
La soluzione che hanno immaginato al CIRA (e che è oggetto di un altro specifico progetto) consiste nella realizzazione di una piattaforma stratosferica.
Anche in questo caso mi mostrano un modellino (che, a dire il vero, è un oggetto delle dimensioni di uno scooter) di colore grigio metallo lucido, ricoperto di pannelli fotovoltaici. Nella forma assomiglia molto a un dirigibile ma più schiacciato, con alcune eliche ai lati e nella parte posteriore.
È una struttura che potrà operare sia spostandosi a basse velocità, sia stazionando permanentemente su un territorio a una quota compresa tra 18 e 20 Km. Sarà necessario riportarla a terra solo raramente, in occasione di manutenzione o in caso di venti catabatici particolarmente forti. Come ulteriore valore aggiunto di rispetto per l’ambiente, la piattaforma per spostarsi userà motori elettrici alimentati dai pannelli fotovoltaici, senza produrre emissioni. Gli specifici sensori di cui sarà dotata permetteranno di compiere osservazioni su particolari territori per lunghi periodi, senza intralciare il traffico aereo e saranno riconfigurabili in funzione delle differenti missioni: inquinamento, agricoltura di precisione, homeland security, dissesto idrogeologico, calamità naturali e così via.
Uscendo dai laboratori intuisco che avrebbero ancora voglia di parlarmi di altre ricerche. Quelle che stanno portando avanti nella meteorologia (il CIRA è tra i fondatori del Centro Euromediterraneo per i Cambiamenti Climatici), dei modelli con cui ottenere previsioni micrometeorologiche per individuare rischi molto specifici come frane o allagamenti in un particolare sito, oppure dell’impegno del CIRA per i beni culturali. Ma ormai è ora di andare. Per questa volta può bastare, c’è già tanto su cui riflettere. Esco da questa “Area 51” italiana con gli occhi ancora pieni delle immagini di modelli, simulazioni e grafici e con i racconti dei ricercatori che mi risuonano nelle orecchie. Una volta di più penso a quante energie ci sono ancora nel nostro Paese e quanta voglia di fare buona ricerca con passione. Si, c’è ancora speranza.

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