Tecnologie avanzate

Sensori "integrati" per scoprire
in anticipo i segnali invisibili
di possibili emergenze

 

Due progetti dell’Istituto sistemi e elettronica applicata della SUPSI, insieme ad aziende private, aiutano a prevenire situazioni di pericolo nelle gallerie stradali e nelle dighe utilizzate dall’industria mineraria

di Michela Perrone

Un medico non aspetta che il paziente collassi per fare una diagnosi: ascolta, misura, confronta i dati nel tempo e interviene quando esiste ancora un margine di azione. È lo stesso principio che due gruppi di ricercatori della SUPSI hanno applicato all’ingegneria delle infrastrutture: non aspettare che una galleria prenda fuoco o che una diga ceda, ma raccogliere segnali deboli e continui, invisibili all’occhio umano, per trasformarli in informazioni utili prima che la situazione diventi critica.

I due progetti riguardano infrastrutture molto diverse, le gallerie stradali e le dighe di terra utilizzate nell’industria mineraria, ma nascono dalla stessa domanda: come capire che qualcosa sta andando storto prima che si trasformi in un’emergenza?

«La necessità di realizzare sensori capaci di anticipare gli eventi nasce proprio dall’esigenza di essere proattivi», spiega Daniele Allegri, direttore dell’Istituto sistemi e elettronica applicata (ISEA) della SUPSI, coinvolto nel progetto dedicato alle gallerie.

Entrambi i progetti sono nati da esigenze concrete espresse da aziende che si sono rivolte alla SUPSI per sviluppare nuove soluzioni. Il primo, NGTSENS (Next generation of tunnel safety sensor for preventing and managing critical situations), nasce dalla collaborazione con ACP Environment SA, attiva nell’installazione e manutenzione di sistemi di sensori per tunnel. Il secondo, T-DAM-Sense (Tailing Dams inspection and Monitoring system), coinvolge lo studio di ingegneria Lombardi SA e l’azienda Huggenberger AG, parte della multinazionale canadese Eddyfi Tecnologies, specializzata nella produzione di sensori per il monitoraggio strutturale e geotecnico.
I due progetti sono stati cofinanziati da Innosuisse, l’Agenzia svizzera per la promozione dell’innovazione, e avevano l’obiettivo di trasformare i risultati di ricerca in prototipi avanzati pronti per il successivo passaggio verso l’industrializzazione.

NELLE GALLERIE TRE SISTEMI DI RILEVAMENTO - Chi percorre abitualmente le autostrade lo sa: all’ingresso di una galleria lunga, soprattutto in montagna, è frequente trovare indicazioni sulla direzione del vento o sulla presenza di code. Quello che il viaggiatore non vede è la rete di sensori che monitorano le condizioni all’interno del tunnel per contribuire alla sicurezza degli automobilisti.
I sensori oggi disponibili sul mercato svolgono bene il loro compito, ma generalmente sono ottimizzati per misurare un solo parametro che nel caso specifico è riconducibile alla velocità dei flussi d’aria all’interno dei tunnel. Il team ISEA, guidato dal professor Allegri ha sviluppato un dispositivo per il monitoraggio dei tunnel capace di misurare più parametri che hanno particolare rilevanza per la gestione della sicurezza del tunnel e degli utenti che in esso vi circolano.

Il risultato è una stazione compatta installata a parete, dalle dimensioni contenute e compatibili con le norme definite dall’USTRA (l’Ufficio federale delle strade), che raccoglie in modo continuativo i dati ambientali raccolti dai tre sottosistemi di rilevamento. Il sottosistema per la misurazione della velocità dell’aria tiene sotto controllo (oltre alla velocità, appunto) la direzione del flusso d’aria lungo la galleria e la temperatura dell’aria in determinate sezioni del tunnel; un radar a microonde controlla anche il movimento e la velocità dei veicoli, e una telecamera termica scansiona invece i veicoli in transito per rilevarne la temperatura, alla ricerca di possibili anomalie termiche, come un freno surriscaldato o un possibile guasto, che potrebbero evolvere in un incendio.

I dati raccolti dai sensori vengono elaborati in tempo reale dal dispositivo e poi inviati alla centrale di monitoraggio, che dispone così di un quadro aggiornato di ciò che accade nella sezione di galleria controllata.

È proprio l’integrazione delle informazioni a rappresentare l’elemento innovativo di questo nuovo sensore. Incrociando i diversi segnali, il sensore permette di rilevare tempestivamente quando il traffico sta rallentando, o quando la temperatura di un veicolo nella sezione di tunnel supera una soglia critica, rilevando una possibile situazione di rischio prima che si sviluppi. 

Utilizzato normalmente per la gestione del sistema di aerazione, grazie alle informazioni raccolte il nuovo sensore risulta particolarmente utile per la gestione della ventilazione (mantiene i fumi lontani dalle persone) e per monitorare la situazione nel tunnel rilevando la velocità del traffico anche in presenza di fumo (cosa non possibile con normali telecamere). 

Tra le varie caratteristiche del nuovo sensore, «un elemento chiave dell’innovazione è stato progettare una soluzione senza parti mobili - spiega Giovanni Badaracco, che ha preso parte al progetto. - A differenza dei dispositivi tradizionali, dotati per esempio di eliche, questi sensori utilizzano soltanto componenti statici». Per questo nello sviluppo ci si è focalizzati solo su tecnologie che non richiedessero parti in movimento così da garantire un’altissima affidabilità in ogni condizione e una ridotta necessità di manutenzione (operazione particolarmente difficile in un tunnel a causa della necessità di chiuderlo al traffico). 

Nello specifico, per il rilevatore della velocità dell’aria e della sua temperatura i ricercatori hanno optato per una tecnologia basata sull’utilizzo degli ultrasuoni. Queste scelte progettuali permettono un funzionamento stabile nel tempo e riducono la necessità di ricalibrazioni periodiche. Il sistema è inoltre progettato per mantenere l’affidabilità dei dati anche in caso di guasto di alcuni componenti.

Nel corso del progetto, i prototipi sono stati installati e testati in due gallerie, una in Ticino e una oltre Gottardo, dove raccolgono dati ininterrottamente da oltre un anno e mezzo.

CERCARE L’ACQUA SOTTO UNA DIGA DI TERRA - Il secondo progetto, T-DAM-Sense, riguarda un’infrastruttura meno familiare al grande pubblico ma fondamentale per la sicurezza dell’industria mineraria e per gli impianti di produzione energetica: le dighe di terra, che contengono i residui prodotti dall’estrazione dei minerali, chiamati tailings dams.

A differenza delle dighe idroelettriche, progettate per trattenere grandi volumi d’acqua, queste strutture vengono realizzate in modo progressivo mediante la deposizione di strati di sterili minerari (tailings), così da adeguarsi nel tempo alle necessità di contenimento. Visivamente si presentano come giganteschi depositi di terra, simili per geometria e materiale agli argini dei grandi fiumi. Queste strutture, per rimanere stabili devono conservare una struttura compatta e limitare le infiltrazioni d’acqua.
Se l’acqua riesce a penetrare e a muoversi all’interno della diga, si possono infatti innescare dei processi erosivi o di destabilizzazione della struttura che possono progressivamente portare alla compromissione della sua stabilità. In gergo si parla di instabilità geotecnica.
Non è un rischio teorico: nel 2019 il crollo della diga di Brumadinho, in Brasile, causò 225 vittime ed è considerato uno dei più gravi disastri industriali degli ultimi anni.

Oggi queste strutture vengono controllate soprattutto attraverso misure effettuate in punti specifici, che devono poi essere interpretate per prevedere ciò che accade nel resto della diga. Nella maggior parte dei casi, il monitoraggio si basa su misure locali e discontinue nel tempo, utilizzate come base per le verifiche di stabilità e per la previsione del comportamento della struttura. Raramente viene implementato un sistema di monitoraggio continuo con una distribuzione sufficientemente capillare e rappresentativa dei punti di misura lungo il corpo diga. Il progetto, sviluppato dall’ISEA e dall’Istituto di scienze della Terra della SUPSI sotto la guida dell’ingegner Samuel Poretti, punta invece a ottenere una sorveglianza continua e diretta dell’intera struttura.

Due tecnologie sono state integrate in modo ingegnoso per cogliere aspetti diversi della diga: una segue il movimento di filtrazione dell’acqua nella struttura, l’altra analizza le caratteristiche del terreno.

La prima sfrutta un fenomeno naturale prodotto dal movimento dell’acqua nel terreno che genera piccolissime differenze di tensione elettrica che possono essere rilevate da appositi sensori. Nello specifico, il sistema realizzato da ISEA è costituito da una rete di elettrodi installati sulla superficie della diga che permette di rilevare e misurare continuamente questi piccoli segnali, per monitorare e localizzare i punti di infiltrazione dell’acqua e il modo in cui essa circola all’interno della struttura.

La seconda sfrutta invece impulsi elettromagnetici. Attraverso antenne inserite all’interno di tubi in pvc nei fori di carotaggio realizzati nella struttura, è possibile stimare il contenuto d’acqua e il grado di compattazione del materiale: due parametri fondamentali, perché un terreno poco compatto è più soggetto ai cedimenti.

Combinando le informazioni ottenute attraverso le due tecnologie, è possibile ricostruire ciò che accade all’interno di buona parte del volume della diga, e non soltanto in punti specifici. Il vantaggio principale, rispetto alle tecniche attuali, è che il nuovo approccio permette di fare delle valutazioni a partire da osservazioni dirette, anziché su analisi ottenute a partire da dati raccolti solo in alcuni punti. Il monitoraggio continuo nel tempo permette inoltre di distinguere gli effetti temporanei di una pioggia intensa da quelli di un’infiltrazione persistente.

A livello tecnico, le sfide affrontate sono state numerose. I sensori devono garantire un funzionamento prolungato nel tempo - si parla di decenni - perché queste dighe hanno una vita prevista superiore ai cent’anni. Parallelamente, devono continuare a operare anche quando vengono ricoperti da nuovi strati di materiale. Le antenne a microonde, in particolare, devono rimanere protette anche a centinaia di metri di profondità, all’interno di fori di carotaggio allagati, dove la pressione dell’acqua è molto elevata.

Anche se «in Svizzera non abbiamo dighe di questo tipo su cui effettuare delle prove - spiega Poretti - abbiamo cercato siti che ne riproducessero il più possibile le condizioni: li abbiamo trovati in Val Canaria e in due siti pilota a Claro e Castione, dove le tecnologie sono state testate singolarmente prima dell’integrazione nel prototipo finale».

L’APPLICAZIONE SU VASTA SCALA - Al di là delle tecnologie specifiche, i due progetti - sottolineano i ricercatori della SUPSI - condividono lo stesso obiettivo: favorire l’innovazione e la competitività delle nostre aziende, grazie all’applicazione di tecnologie sviluppate in ambienti di ricerca a contesti e situazioni reali. Nella pratica significa installare sensori in ambienti difficili, come una parete rocciosa in un bosco senza corrente elettrica, affidandosi a pannelli solari. Oppure intervenire in una galleria nelle brevi finestre di tempo concesse dal traffico autostradale, montando e smontando tutto il materiale in pochi minuti.

Significa anche raggiungere un sito remoto per riparare un dispositivo che in laboratorio sarebbe stato sistemato rapidamente, scoprendo che le condizioni reali presentano sempre imprevisti che nessun banco di prova può prevedere completamente.

«Se funziona in laboratorio - conclude Allegri - siamo tutti contenti, ma la vera soddisfazione arriva quando dimostriamo che quanto teorizzato e validato in laboratorio si applica sul campo e permette ai nostri partner di progetto di avere acquisito un vantaggio tecnologico reale e validato rispetto ai loro concorrenti».