Ai piedi degli Appennini, esattamente tra Ascoli Piceno e Teramo, corre la prima rete in fibra al mondo che fornisce servizi di connettività internet mentre attua monitoraggio sismico. Il tratto di circa 30 chilometri appartiene a Open Fiber e rappresenta l’avanguardia mondiale del cosiddetto fiber sensing, che potremmo tradurre come fibra percettiva. In pratica come una rete nervosa è capace di percepire e misurare in tempo reale ogni fenomeno esterno su tutta la sua lunghezza.

Nello specifico quando si manifesta un evento sismico, anche a migliaia di chilometri di distanza sopra magnitudo 5, la fibra ottica subisce un’azione di allungamento a causa del movimento del terreno su cui è appoggiata. Può essere anche minimo ma comunque la fase del segnale luminoso trasmesso subisce una piccola variazione misurabile. Questo permette di rilevare dati di diverso genere e provenienza.

Non c’è comunque da preoccuparsi per il rischio rotture: la fibra ottica delle ramificazioni principali ha livelli altissimi di resistenza e protezione, diversamente dagli esili fili ottici che possiamo vedere nei nostri appartamenti. Il progetto Meglio (Measuring earthquakes signals gathered with laser interferometry on optic fibers), appunto il sistema sperimentale in grado di rilevare i terremoti, è stato presentato oggi presso Palazzo Guiderocchi ad Ascoli Piceno. Lo sviluppo si deve a Open Fiber, Ingv (Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia), Inrim (Istituto nazionale di ricerca metrologica), Bain & company e Metallurgica Bresciana spa.

Il sistema è già attivo

Dopo due anni di sperimentazione in laboratorio si è concretizzata l’implementazione sul campo: il team ha acceso i nuovi sistemi lo scorso giugno e ha iniziato a raccogliere i primi dati. “Posso assicurare che sta già dimostrando di funzionare. Il 29 luglio abbiamo rilevato il terremoto con magnitudo 7.9 dell’Alaska e poco prima quello del Montenegro“, sottolinea Andrè Herrero, primo ricercatore di Ingv. Lo scopo di dell’Istituto sarà infatti quello di validare il sistema confrontandolo con i dati raccolti da un sismografo montato per l’occasione in loco; fermo restando il fatto che si parla di complementarietà di monitoraggi.

I tradizionali sismografi distribuiti sul territorio nazionale si affidano a una rilevazione puntiforme, quindi si parla di tanti siti attivi (circa 500) connessi alla rete via radio. Ciò si traduce in alti costi di gestione e rischi di interferenza. Bisogna infatti considerare che sono posizionati in zone lontane dai siti popolati, richiedono batterie e manutenzione e hanno un raggio d’azione limitato. La fibra invece rileva movimenti sismici lungo la sua intera tratta. L’impatto ambientale è zero e i consumi praticamente inesistenti. D’altronde non è altro che un ulteriore sfruttamento di una tecnologia già attiva per altro.

Ovviamente nessuno si aspetta di poter prevedere i terremoti, bensì costruire i primi tasselli per realizzare un giorno un sistema di allerta rapida (Eew) capace di segnalare scosse imminenti prima dell’arrivo delle onde sismiche. Magari da abbinare a un’app come quella recentemente presentata da un gruppo di ricercatori dell’Università di Bergamo. Perché no?

“Si tratta di migliorare il monitoraggio e ottenere informazioni da territori oggi esclusi dalla nostra rete di sismografi“, spiega Herrero. Curioso anche il fatto che sopra una certa soglia di magnitudo i sismografi non riescano più a misurare, mentre la fibra – considerato il suo intervallo di sensibilità – riesca a percepire ancora variazioni.

Il motivo si deve al fatto che questa piattaforma agisce in un contesto terrestre, ricco di rumore antropico, perché situato anche in ambiente urbano, su una rete commerciale che trasporta in simultanea i dati internet. Ne consegue che bisogna applicare sofisticati algoritmi matematici di pulizia. Ed è proprio questo il lavoro di Bain che elabora il tutto per la fruizione di Ingv. In sintesi estrae e monitora dati storici e real time con l’obiettivo di sviluppare nel lungo periodo un algoritmo adeguato all’impiego delle reti in fibra installate sul territorio nazionale. Ad oggi Open Fiber raggiunge oltre duemila comuni.

Fiber sensing, tecnicamente

La cosiddetta sensoristica distribuita (fiber sensing) di fatto trasforma un comune cavo in fibra ottica interrato in un microfono virtuale capace di captare le vibrazioni e i suoni circostanti. Tecnicamente il sistema si affida a un interrogatore laser interferometrico che inietta un segnale ottico ultrastabile (una frequenza di luce) nella fibra e rileva eventi lungo il collegamento “a una risoluzione in frequenza, spazio e tempo altissima, non raggiungibile con i metodi di sensoristica convenzionali“. Dopodiché grazie ad avanzati algoritmi software è possibile ascoltare, monitorare e rilevare diverse attività e eventi che accadono nell’ambiente. Lo stesso principio alla base della tecnologia che Google sta sperimentando su una dorsale oceanica.

“L’impiego di due interrogatori, come in questo caso, permetterà anche una precisa localizzazione“, assicura Davide Calonico, responsabile della divisione di Metrologia quantistica di Inrim, che si è fatta carico dello sviluppo di questo sensore prototipale.

La luce è caratterizzata da proprietà come l’intensità, il colore (lunghezza d’onda), la coerenza, la fase e la polarizzazione. Ognuno di questi parametri può essere usato per misurare grandezze come temperatura, pressione, portata, concentrazione, peso, deformazione, vibrazione e accelerazione. “Queste misure possono essere riconosciute, classificate e visualizzate in tempo reale grazie ai progressi ottenuti nel campo dell’intelligenza artificiale“, sottolinea Open Fiber. In sintesi la luce laser sensoriale attraversa il cavo e ogni variazione dovuta ad agenti esterni produce un effetto che una volta misurato fa comprendere diversi fenomeni.

L’ulteriore vantaggio è che le fibre ottiche sono immuni da disturbi elettromagnetici, possono resistere in un ampio spettro di temperature (da -100° a 300°), elevate pressioni (10.000 psi), e allo stresso meccanico. “In questo modo riusciamo ad aggiungere ulteriore valore a un’infrastruttura senza per altro perturbare i servizi di connettività. Stiamo parlando alla fine di un grande sistema internet-of-things capace anche di veicolare le informazioni verso centri di elaborazione big data“, puntualizza Francesco Carpentieri, responsabile ingegneria del trasporto di Open Fiber

Gli impieghi alternativi del fiber sensing

Open Fiber è convinta che si possano concepire soluzioni che superano i limiti delle tecnologie tradizionali: misure senza contatto, misure distribuite, misure simultanee di parametri diversi. In sintesi il fiber sensing domani potrà misurare anche il traffico dei veicoli e quello umano, monitorare scavi, rilevare perdite nelle condotte energetiche, individuare difetti sulle linee di trasporto ferroviarie, etc.

In fondo si tratta “solo” di posizionare apparecchiature nei rack dei container (Pop, punti di presenza) che oggi governano i segnali trasportati dalla fibra e abbinare software adeguati. L’elevata sensibilità del sistema, l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, le dimensioni ridotte, la sicurezza in ambienti potenzialmente esplosivi e il minimo impiego di cablaggi sono ideali per “costruire reti di monitoraggio molto estese“. Per altro meccanicamente e chimicamente compatibili con la gran parte dei materiali da costruzione.

Tanti i settori chiave: power & utility, con rilevazione guasti e danni di terzi, monitoraggio delle condizioni del cavo elettrico, monitoraggio sismico, turbine elettriche, impianti termoelettrici; trasporto con monitoraggio della rete ferroviaria e della rete stradale, conteggio veicoli, rilevamento delle condizioni stradali, ponti, dighe; oil & gas con la rilevazione di perdite nelle condotte, monitoraggio del movimento tellurico, monitoraggio del surriscaldamento o congelamento dei cavi; sicurezza & militare con controllo delle frontiere, controllo intrusioni, edifici, aeroporti, dissesto idrogeologico e prevenzione valanghe.

Ad esempio l’operatore americano Verizon a Richardson in Texas sta sviluppando un sistema Das (Distributed acoustic sensing) abbinato a software di intelligenza artificiale per il monitoraggio del traffico cittadino e la classificazione dei veicoli. Viene impiegata fibra ottica posata sotto il manto stradale al posto dei più comuni e diffusi sensori iot. In prospettiva anche il 5G potrebbe sfruttare le potenzialità di queste soluzioni. Il mercato globale del fiber sensing nel 2018 era valutato in 900 milioni di dollari ma l’ultimo rapporto di Bcc Research stima che entro il 2025 dovrebbe crescere di circa l’11% (tasso composto di crescita annuale) sfiorando quota 4,9 miliardi di dollari.

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