Alla Naples Shipping Week di quest’anno abbiamo dedicato la prima parte della sessione Technology Trends al tema del monitoraggio ed osservazione remota degli ambienti marini, costieri e portuali. Hanno trattato del tema tre relatori d’eccezione: Giovanni Savoldelli Pedrocchi, ex-generale dell’Aeronautica Militare, Maria Angelucci, Responsabile Key Accounts Management settore D&I e dati COSMO-SkyMed – Europa di e-Geos, uno dei massimi esperti nel campo del telerilevamento, e Massimo Mazzola, Presidente della Rete d’Impresa Space Italy.
L’importanza del monitoraggio e della sorveglianza dei fenomeni naturali e delle attività umane da remoto è in crescita continua dalla metà del secolo scorso. Basta pensare alla rivoluzione che hanno rappresentato i satelliti metereologici nelle previsioni del tempo o la fotografia aerea per la cartografia. Nel campo delle attività umane, potere vedere dall’alto le condizioni del traffico stradale su settori molto vasti oppure la posizione delle navi nella rada di un porto, con qualunque condizione meteo o di notte, permette di gestire la mobilità e di prevenire incidenti.
Negli ultimi vent’anni la raccolta dei dati grezzi (immagini ottiche, radar, termiche) ha fatto un salto di qualità dal punto di vista del peso, dei consumi di energia e dei costi grazie agli sviluppi della microelettronica e dell’ottica. Oggi capacità che ancora negli anni ’90 erano esclusive delle piattaforme militari sono disponibili anche in campo civile (naturalmente quelle militari sono cresciute anch’esse). Accanto alle capacità dei sensori, sono cresciute moltissimo quelle dei software per l’analisi dei dati e la loro trasformazione più o meno automatica in informazioni. Cinquant’anni fa erano degli umani che comparavano ad occhio due foto della stessa area riprese a distanza di tempo per individuare eventuali cambiamenti, oggi un’applicazione del costo di poche centinaia di euro è in grado di farlo in modo molto più rapido e preciso su riprese di aree vastissime.
Le applicazioni settoriali dell’Intelligenza Artificiale si spingono ormai ad interpretare una scena, per esempio ad identificare un incidente stradale e segnalarlo immediatamente come tale, non semplicemente a mettere in evidenza l’aumento della densità dei veicoli su una tratta autostradale. Lo stesso può avvenire per lo svilupparsi di un moto del terreno che può portare ad una frana.
Le potenzialità dell’osservazione e del monitoraggio crescono quanto più esse si avvicinano al tempo reale e sono effettuate con continuità. In altre parole, sono legate alla persistenza della piattaforma che trasporta i sensori. Oggi le piattaforme per l’osservazione remota sono tre: mezzi aerei, pilotati o meno, droni a decollo verticale e satelliti. Ognuna di esse comporta vantaggi e svantaggi. I satelliti possono guardare in area del globo, non sono sensibili ai fenomeni atmosferici, e portano moduli di sensori anche molto importanti e pesanti. D’altra parte viaggiano ad almeno 200 Km dal suolo a velocità orbitale, circa 28.000 Km/ora, il che richiede sensori molto sofisticati per compensare il moto e la distanza e restringe il tempo di permanenza sull’area di interesse da qualche secondo a pochissimi minuti. Recentemente i satelliti da osservazione, grazie alla riduzione dei costi, vengono messi in orbita in molti esemplari uguali, anche decine, su orbite architettate in modo da permettere diversi passaggi al giorno sulla stessa area. Inoltre, l’ultima generazione porta anche sensori video. Dal momento che il numero di satelliti non può crescere all’infinito (già si sfiorano collisioni a determinate altitudini), la persistenza massima ha però un limite.
I droni hanno il vantaggio di costare poco e di potere essere comandati in modo da avvicinarsi moltissimo all’area o all’oggetto di interesse, anche di girargli attorno. Dal momento che sono basati sul principio dell’elicottero, però, portano un carico utile (sensori) piccolo e possono restare per poco tempo su zone che sono a una manciata di chilometri dalla base. Molto più in alto come capacità si collocano le piattaforme aeree, pilotate e sempre più spesso non pilotate, che per queste ultime consentono di stare in postazione per alcune decine di ore anche a centinaia o migliaia di chilometri dalla base. Il carico di sensori è molto grande e diversificato e grazie alle quote raggiungibili (fino a 20.000 metri, ufficialmente) il raggio di osservazione è di diverse centinaia di chilometri. Queste piattaforme, come il Global Hawk americano, costano molto sia come acquisto che come gestione, per cui mantenere una persistenza per più giorni di seguito, richiedendo la turnazione tra diversi veicoli, ha costi proibitivi per la maggior parte delle applicazioni. Sarebbe necessaria una piattaforma in grado di stare in posizione per molto tempo (mesi), portare un buon carico e l’energia necessaria a farlo funzionare, e non costasse uno sproposito. Proprio su questo è in corso una rivoluzione.
Gli inglesi le chiamano pseudo-satelliti, gli americani variamente atmosat (satelliti atmosferici) oppure HAPS (High Altitude Platform Station), che è anche la definizione della ITU (l’organizzazione internazionale delle telecomunicazioni). Di cosa si tratta? Sono veicoli atmosferici il cui “segreto” sta nella quota operativa, che ha portato alla definizione in uso in Italia di “piattaforme stratosferiche”. Già negli anni 30 del secolo scorso, i sondaggi con i palloni d’alta quota avevano messo in luce che sulla maggior parte del globo alla quota tra i 17 e i 22 Km circa le condizioni atmosferiche sono calme, con venti a pochi nodi e nessuna turbolenza. Il 95 per cento delle perturbazioni resta sotto gli 8.000 metri e anche nei più potenti temporali tropicali la sommità delle nubi non arriva a 15.000 metri. In quest’oasi di tranquillità e visibilità perfetta, l’aria è rarefatta, la temperatura rigida ma un veicolo anche molto grande può restare relativamente fermo con pochissimo dispendio di energia, se non deve fare affidamento sulle ali per stare su. Le piattaforme atmosferiche sono dunque, nella stragrande maggioranza, dei casi dei veicoli senza equipaggio più leggeri dell’aria, palloni o dirigibili riempiti di elio e dotati di propulsione elettrica ad elica per brevi spostamenti e per raggiungere la quota prevista e per mantenere la posizione. L’energia viene fornita secondo i casi da batterie, celle a combustibile a idrogeno (che garantirebbe un’ulteriore spinta di galleggiamento) o celle fotovoltaiche.
Essendo il sostentamento garantito dall’elio, la durata delle missioni è limitato solo dalle perdite di gas (la molecola dell’elio è piccolissima, e a lungo andare sfugge anche nei migliori materiali impermeabili) e dalla disponibilità di energia. Si misura comunque in mesi e in certi casi in anni. Diventa quindi possibile piazzare un modulo di sensori a 20 Km di quota in posizione praticamente stazionaria e da lì osservare. A 20.000 metri l’orizzonte, ossia il punto più lontano visibile si trova a 500 Km. Ne basterebbero quindi 4 o 5 per coprire l’intero territorio italiano e i mari vicini. È proprio l’osservazione, la sorveglianza e il monitoraggio dell’ambiente marino e costiero che sta in questo momento sollevando il maggiore interesse.
Una piattaforma atmosferica da 60 metri di lunghezza, come per esempio la LESTA (Long Endurance STratospheric Airship), sviluppata dalla Rete d’Impresa SpaceItaly, dotata, per restare in campo “civile” di sensori ottici iperspettrali (ossia che percepiscono senza soluzioni di continuità tutte le frequenze della luce dall’infrarosso all’ultravioletto), termici (infrarosso termico), radar, LIDAR (un laser che “pennella” il bersaglio e ne ricostruisce la forma dall’eco riflesso) e di campi elettromagnetici ha una serie infinita di applicazioni. Può monitorare ad alta risoluzione spaziale ed in tempo reale la situazione meteorologica su un’area molto più vasta di quella oggi possibile con i radar a terra. Oppure può tenere sotto controllo il traffico di imbarcazioni nella rada e in porto, prevenendo il rischio di collisioni in qualunque condizione, di giorno, di notte e con brutto tempo. Ancora, può individuare e seguire in tempo reale imbarcazioni anche molto piccole, come quelle dei trafficanti, e monitorare costantemente quelle che per non farsi individuare spengono il transponder. Con un sistema in grado di effettuare la fusione di diverse sorgenti di dati, è possibile identificare una nave sconosciuta ricostruendo i possibili percorsi di tutte le imbarcazioni che hanno spento il transponder prima di entrare nel raggio d’azione della piattaforma. Oppure seguirne il percorso dal momento in cui lascia il porto, riprendendo persino le fasi di carico in Paese straniero.
Sono solo alcune delle applicazioni e solo in campo marittimo. Su terraferma, come abbiamo detto all’inizio si può pensare di monitorare il traffico stradale su aree molto vaste in tempo reale, ottenendo persino la velocità dei veicoli grazie all’effetto Doppler delle onde radar. Non per fare multe (almeno si spera) ma per prevenire ingorghi. Altro ambito è quello delle telecomunicazioni, dove le piattaforme atmosferiche potrebbero fornire comunicazioni dati ad alta velocità in località remote. Su questo Alphabet, la holding che controlla Google, sta conducendo il progetto Loon, che utilizza palloni per fornire accesso a Internet usando ricetrasmettitori di costo molto più basso di quelli satellitari. Per le applicazioni di osservazione e sorveglianza sono in campo moltissime aziende ed enti, da Airbus e Boeing, passando per Leonardo, Lockheed-Martin, la NASA, l’ASI, il CNR.