Obiettivi

Piano delle Attività

Caratteristiche e prestazioni da realizzare

Il progetto In-Air mira alla realizzazione di un aeromobile senza equipaggio (UAV), comunemente chiamato "drone" di ridotte dimensioni, dotato di una piattaforma sensoristica multifunzionale per il monitoraggio della qualità dell’aria.

Tale sistema sarà in grado di coprire grandi aree o di monitorare siti specifici, pericolosi o complessi da raggiungere, colmando il divario tra i sistemi tradizionali di rilevamento installati a terra (stazioni fisse) e le osservazioni aeree o satellitari.

Mediante un monitoraggio innovativo estremamente versatile ad elevata risoluzione spaziale e temporale di inquinanti gassosi e polveri sottili (PMx), il sistema permetterà di identificare facilmente siti ad elevato impatto inquinante come:

• siti industriali, da piccoli a grandi impianti come raffinerie, acciaierie, impianti chimici, impianti per la produzione di energia elettrica;
• cantieri edili, dalle piccole opere civili alle grandi infrastrutture;
• cave, soprattutto dopo l’utilizzo di esplosivi;
• attività agricole;
• sedi di disastri ambientali che comportano emissioni combustive incontrollate.

La piattaforma sensoristica multifunzionale integrata su UAV permetterà di monitorare le emissioni in prossimità delle fonti, fornendo le loro proprietà chimiche in termini di composizione e concentrazione. Sarà anche possibile ottenere l’analisi delle dinamiche spaziali di una particolare emissione valutandone l’area d’influenza rispetto ad un sito specifico. Il sistema proposto potrà fornire informazioni più accurate sulla distribuzione di gas inquinanti e polveri sottili in tutta la colonna atmosferica in modo da valutare la loro stratificazione, consentendo una mappatura tridimensionale (3D) delle aree interessate.

L’analisi effettuata mediante un sistema sensoristico integrato su UAV permetterà di monitorare la qualità dell’aria dopo disastri ambientali che comportano emissioni combustive incontrollate come incendi di siti industriali, zone boschive ecc.. Tali zone sono generalmente inaccessibili da parte dell’uomo a causa delle condizioni avverse, presenza di gas nocivi e polveri, e necessiterebbero di un “robot volante” come quello proposto nel presente progetto per raccogliere i dati della qualità dell’aria necessari all’attuazione di contromisure rigorose e tempestive per la salvaguardia della salute dei cittadini.

Il progetto In-Air realizzerà un drone multirotore in grado di trasportare una piattaforma sensoristica per la rilevazione dei seguenti inquinanti di notevole interesse ambientale: biossido di azoto (NO2), biossido di zolfo (SO2), monossido di carbonio (CO), PM10, PM2.5 e PM1.

Il sistema integrerà una parte sensoristica relativa al monossido di carbonio (CO) costituita da un sensore commerciale allo stato dell'arte, con sensori per il monitoraggio di NO2, SO2 e PMx, tecnologicamente innovativi, progettati e realizzati all'interno del raggruppamento.

Particolare attenzione verrà dedicata allo sviluppo dell’hardware di controllo della piattaforma sensoristica che include l’elettronica di gestione, il sistema fluidico di campionamento dell’aria e la trasmissione wifi dei dati raccolti dai sensori alla ground control station (GCS) dedicata alla gestione da remoto della piattaforma. Il post-processing dei dati immagazzinati avverrà mediante lo sviluppo di un software in grado di realizzare mappe 3-dimensionali georeferenziate degli inquinanti.

Specifiche quantitative da conseguire

Da un punto di vista operativo, sarà necessario progettare il sistema In-Air (drone+piattaforma sensoristica) tenendo conto dei limiti di legge ammessi per i contaminanti gassosi e polveri sottili di interesse. Il sistema proposto fornirà:

• Flessibilità,
  In-Air permetterà di monitorare siti specifici, pericolosi o complessi, difficilmente raggiungibili con tecniche tradizionali come sistemi installati a terra oppure trasportati da aeromobili con equipaggio e satelliti. Sarà possibile effettuare indagini a pochi metri dalle fonti di emissione, o addirittura fare analisi all’interno dei pennacchi inquinanti. Il drone avrà un’autonomia di volo di circa 30 minuti.
   
• Elevata risoluzione spaziale,
  In-Air rappresenta l’ultima frontiera per analizzare la qualità dell’aria di siti specifici o grandi aree con elevata risoluzione spaziale lungo le tre dimensioni. In particolare la capacità di volo verticale del drone permetterà di effettuare rilevamenti successivi a diverse altitudini a distanza di 5-10m una dall’altra.
   
• Ottima risoluzione temporale,
  i sensori ottici, basati su assorbimento ultravioletto (UV) per NO2, SO2, assorbimento infrarosso (IR) per CO e laser scattering per le PMx, avranno un’elevata velocità di risposta dell’ordine dei ms, che permetterà loro di raccogliere dati con elevata risoluzione temporale. Il tempo di recupero dei sensori sarà tale da permettere numerosi rilevamenti completi nel tempo di volo del drone.
   
• Basso limite di rilevamento,
  per i gas inquinanti NO2, SO2, CO sarà dell’ordine delle ppb mentre per le PMx sarà di qualche ug/m3. Tali valori sono comparabili a quelli forniti dalle tecnologie sensoristiche tradizionali.

Principali problematiche di R&S

I proponenti sono consapevoli che l’obiettivo da raggiungere è ambizioso, ma sono confidenti in un esito positivo in quanto dispongono delle tecnologie, dell’esperienza e del know-how tecnico-scientifico per giungere alla realizzazione di un prototipo dimostrativo funzionante. Particolare attenzione verrà data allo sviluppo del drone multirotore. In questo contesto, si farà affidamento sulle conoscenze ingegneristiche delle aziende coinvolte nel progetto. Verrà effettuato un attento studio dei materiali da utilizzare per la realizzazione del drone, in modo da renderlo leggero e conseguentemente incrementare il tempo di volo (long endurance) rispetto a quello dei droni commerciali con la stessa capacità di carico (“payload”) (3Kg).

Studi fluidodinamici permetteranno di localizzare le zone del drone soggette a minori turbolenze, indotte dal movimento delle eliche, in cui campionare l’aria da inviare ai sensori.

Da un punto di vista tecnologico, la fabbricazione di sensori ottici per gas inquinanti è background consolidato del gruppo di ricerca del raggruppamento con pubblicazioni e brevetti internazionali. Di conseguenza, la principale problematica riguarderà il trasferimento di tali tecnologie agli analiti di interesse. Fondamentale sarà lo sviluppo del “front-end” dei sensori ossia il campionamento dell’aria. La conoscenza maturata negli anni dal gruppo di ricerca nel settore del campionamento di particelle inquinanti verrà utilizzata per lo sviluppo di un efficiente sistema di raccolta di gas inquinanti e polveri sottili.

Scenario di riferimento e interesse tecnico-scientifico

Le emissioni naturali ed antropiche rilasciate in atmosfera sotto forma di polveri sottili o inquinanti gassosi influenzano la qualità dell'aria e di conseguenza la salute dell'uomo, rispetto alla quale l'inquinamento atmosferico è stato riconosciuto come il nono fattore di rischio a livello globale. L'inquinamento atmosferico riduce anche il rendimento dell'agricoltura, la visibilità, la luce solare a livello del suolo e soprattutto aumenta il riscaldamento atmosferico. E' quindi necessario valutare continuamente e dettagliatamente la qualità dell'aria in modo da attuare contromisure rigorose e tempestive. La risoluzione spaziale e temporale dei dati raccolti intorno ai siti di interesse dai sistemi tradizionali di rilevamento installati a terra (stazioni fisse) e dalle osservazioni aeree o satellitari non è sufficientemente dettagliata. Inoltre, i costi proibitivi di sistemi aerei e satellitari ne limitano l'uso a test sporadici piuttosto che per analisi di routine. Risulta anche difficile monitorare gli inquinanti in prossimità delle sorgenti di emissione perchè troppo rischioso per l’equipaggio degli aerei. Queste motivazioni promuovono, per il monitoraggio in remoto della qualità dell’aria, l’uso di UAV compatti e flessibili, che nonostante le significative restrizioni di payload presentano costi minori ed una maggiore praticità di utilizzo rispetto ai grandi velivoli con equipaggio.

In questo scenario, il progetto In-Air, nato dalle esigenze di una PMI innovativa AeroDron Srl che progetta e realizza droni per monitoraggio ambientale, propone un approccio tecnologico innovativo per il monitoraggio della qualità dell’aria: un prototipo dimostrativo funzionante costituito da un UAV equipaggiato con una piattaforma sensoristica multifunzionale per rilevare gas inquinanti (NO2, SO2, CO) e polveri sottili (PMx). Il sistema proposto sarà in grado di
i) geolocalizzare siti ad elevato impatto inquinante, quali:

• siti industriali caratterizzati da emissioni nocive di NO2, SO2, CO e PMx,
• cantieri edili caratterizzati da emissioni nocive di NO2, SO2, CO prodotte dalle macchine da cantiere e di PMx prodotte dai processi di frantumazione ed aggolmerazione di materiali,
• cave caratterizzate da emissioni nocive di NO2, SO2, CO dalle macchine presenti al loro interno, ed emissioni di PMx in seguito alle esplosioni necessarie all’estrazione dei materiali,
• zone agricole con emissioni nocive di NO2, CO e PMx causate principalmente dai motori a benzina a due tempi delle macchine agricole;

ii) monitorare le emissioni in prossimità delle fonti rilevandone composizione, concentrazione e l’area d’influenza rispetto ad un sito specifico; iii) fornire informazioni accurate sulla distribuzione di gas inquinanti e PMx in tutta la colonna atmosferica consentendo una mappatura 3D delle aree interessate; iv) monitorare la qualità dell’aria in sedi di disastri ambientali dove si producono emissioni combustive incontrollate di NO2, SO2, CO e PMx, come incendi di siti industriali o zone boschive ecc.. Il gruppo di lavoro è formato dalle due aziende sopra citate, da due start-up innovative AR dream Srls e Cetma Composites Srl che hanno conoscenze complementari nel settore dei materiali avanzati ultraleggeri, dall’azienda Co.Me.A. Srl che vanta un eccellente know-how nel settore delle lavorazioni meccaniche di precisione e da un organismo di ricerca, l’Istituto di Nanotecnologia CNR Nanotec, con documentata esperienza nel settore della Micro e Nanoelettronica (Tecnologie per sensori) e nelle Nanotecnologie (Nanotecnologie per la riduzione dell’impatto ambientale).

Rilevante è anche il coinvolgimento di:

• Rete di Laboratori Pugliese Sens&Micro Lab (“Laboratorio Regionale per la Realizzazione di Sensori e Microsistemi Avanzati per il Settore Aeronautico”) per fornitura di ricerca a contratto nel settore dei sistemi sensoristici;
• Spin-off Pugliese del CNR “Mediteknology Srl” per consulenza specialistica nel servizio di caratterizzazione meccanica di materiali polimerici ultra-leggeri;
• Istituto sull’Inquinamento Atmosferico del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR IIA sede di Roma Monterotondo) svolge attività di ricerca e di servizio per enti pubblici ed aziende inerenti a campagne di misura per inquinanti atmosferici e validazione di nuovi strumenti/tecnologie per il monitoraggio atmosferico. Oltre alla sede di Roma Monterotondo, l’Istituto ha una sede all’interno del Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare dove si occupa del trasferimento delle conoscenze tecnico-scientifiche per la produzione ed attuazione della normativa sull’inquinamento atmosferico. In questo progetto fornirà ricerca a contratto al raggruppamento.