Nasus 1: Nanotecnologie a basso costo per rilevare l'inquinamento atmosferico - Tecnologie per il monitoraggio ambientale

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QUALCHE SPUNTO SU...

Nasus 1: Nanotecnologie a basso costo per rilevare l'inquinamento atmosferico


 Il team di ricerca che ha lavorato alla Stazione Sperimentale NASUS1 è stato premiato tra le "Eccellenze ENEA 2008"  

La strada per rilevare l'inquinamento atmosferico passa dalle nanotecnologie. Questa almeno è la scommessa dei laboratori per Tecnologie e Processi di Materiali Compositi e Nanostrutturati del Centro ENEA di Brindisi dove è stata realizzata la stazione sperimentale “NASUS 1” per il monitoraggio ambientale dell’aria, premiata con la Menzione Speciale per la ricerca in campo ambientale per le Eccellenze ENEA 2008.

Chiediamo al dott. Michele Penza, fisico e leader del gruppo di ricercatori che ha realizzato la stazione sperimentale, che cosa è Nasus 1?
Si tratta di una stazione sperimentale autonoma per il monitoraggio dell’aria che utilizza sensori miniaturizzati a base di nanotubi di carbonio.
Mi spiego meglio: il prototipo-dimostratore che è stato realizzato presso il Centro ENEA di Brindisi è in grado di operare in maniera autonoma e programmata per misurare inquinanti atmosferici dispersi in aria. Il cuore della stazione è costituito da una matrice di multisensori miniaturizzati specifici per la rivelazione di un determinato inquinante atmosferico. L’innovazione ENEA riguarda questi sensori basati su tecnologie di film sottili che impiegano nanotubi di carbonio, ovvero nanomateriali e nanostrutture a base di carbonio. Sono questi componenti innovativi che consentono a NASUS 1 di aumentare la capacità di rilevare un determinato inquinante, anche se presente a concentrazioni bassissime in tracce dell’ordine di qualche decina di parti per miliardo. Per esempio, con i sensori di Nasus è possibile misurare il livello di attenzione (100 ppb, parts per billion, parti per miliardo) ed il livello di allarme (200 ppb) dell’NO2 (biossido di azoto) presente nell’aria secondo le normative italiane vigenti.

Quali sono le altre caratteristiche peculiari di Nasus?
La stazione ha funzionalità avanzate di acquisizione dati, trasmissione wireless GPRS, controllo remoto, algoritmi di reti neurali e pattern recognition, operazioni intelligenti basate su microcontrollore, misurazioni real-time ed in-situ, compattezza e portabilità. Tutto questo senza dimenticare che i sensori innovativi e l’intero sistema hanno bassi costi, il che permette di competere con i sistemi analitici tradizionali utilizzati per il monitoraggio dell’aria. É quindi possibile abbassare i costi delle campagne di monitoraggio dell’aria con prestazioni comparabili.
In effetti possiamo considerare NASUS 1 come il nodo di una rete di sensori chimici a basso costo, collocati in aree urbane e/o industriali per valutare la qualità dell’aria e determinare le concentrazioni degli inquinanti atmosferici, quali NOx, (ossidi di azoto), COx, (ossidi di carbonio) SOx, (ossidi di zolfo), VOC (Composti Organici Volatili), ecc…, e le sorgenti emissive degli inquinanti. Una stazione-base può funzionare da coordinatore dei vari nodi-sensori della rete dispersi sul territorio per mappare ad alta risoluzione spaziale una determinata area con un’elevata densità di nodi a basso costo e con funzionalità real-time.

Quali sono oggi gli strumenti utilizzati per misurare i livelli d’inquinamento dell’aria e quali vantaggi rispetto a loro presenta NASUS 1?
Gli strumenti attuali per il monitoraggio dell’aria sono basati su tecniche analitiche tradizionali come la spettrometria di massa, la gas-cromatografia, la chemiluminescenza, l’assorbimento ottico, la fotoluminescenza, ecc…
Si tratta di strumenti affidabili, accurati e fissi ma ingombranti,  che hanno bisogno di operatori esperti per effettuare complesse e costose operazioni di manutenzione; le misurazioni, infine, sono laboriose e spesso off-line. Inoltre, tali strumenti analitici sono di elevato costo (100,000 €/strumento analitico) che aumenta con l’aumentare del numero degli inquinanti controllati e misurati.
Abbassare i costi a parità di prestazioni è questa la sfida e la vera novità di NASUS. I vantaggi di NASUS risiedono nella miniaturizzazione dei sensori a stato solido usati, nella sua portabilità, nelle sue operazioni stand-alone, real-time, in-situ, nella sua capacità di rivelare inquinanti atmosferici a basse concentrazioni; infine, ultimo ma non meno importante, il basso costo dei sensori innovativi a base di nanotubi di carbonio anche funzionalizzati con nanocluster metallici, ed il basso costo dell’intero sistema NASUS stimato in circa 10,000 €. Posso anche dire che dopo la valutazione positiva ottenuta mediante le prove di qualificazione condotte in laboratorio, questa tecnologia innovativa risulta adesso matura per una validazione sul campo delle promettenti prestazioni funzionali.

La stazione NASUS è stata già utilizzata in campagne sperimentale di monitoraggio?
E’ in corso un accordo di collaborazione scientifica e tecnologica con ARPA-PUGLIA per validare sul campo l’affidabilità della stazione NASUS. È in programma, infatti, una campagna sperimentale di lunga durata con severe condizioni ambientali reali al fine di comparare le prestazioni funzionali di NASUS con quelle delle centraline tradizionali dell’ARPA, istituzionalmente preposta al monitoraggio e prevenzione dell’ambiente e della salute dei cittadini nel territorio regionale pugliese. In altri termini, NASUS sarà inserito in una centralina-ARPA situata in città o zona industriale ed integrato con il sistema di monitoraggio ambientale di ARPA-PUGLIA.

Parlando di nanotecnologie può dirci quali sono le dimensioni di Nasus?
La stazione NASUS è un box integrato e compatto di volume pari ad un parallelepipedo di 30 cm (lunghezza) x 28 cm (larghezza) x 24 cm (altezza) contenente tutti i componenti e sottosistemi, compreso i sensori innovativi a base di film sottili di nanotubi di carbonio. Il peso totale del box è di 2 kg circa. Inoltre, la stazione ha un’unità di alimentazione aggiuntiva di peso 1 kg circa e di volume pari ad un parallelepipedo di 28 cm (lunghezza) x 20 cm (larghezza) x 18 cm (altezza).
L’elemento innovativo sensibile del sensore è il nanomateriale di nanotubi di carbonio che assorbe le specie gassose inquinanti. Le dimensioni nanometriche dei nanotubi di carbonio, ovvero nanostrutture con diametro di un milionesimo di millimetro, permettono l’elevata reattività chimica con le specie gassose da rivelare aventi dimensioni molecolari paragonabili, quindi altamente interagenti con il nanomateriale assorbente a base di nanotubi di carbonio. Le dimensioni di un singolo sensore innovativo a base di nanotubi di carbonio, preparato su un substrato solido patternato nella forma di chip planare di allumina, sono generalmente 5 mm (lunghezza) x 5 mm (larghezza) x 0.6 mm (spessore). Lo spessore ottimale del film di nanotubi di carbonio usato nei sensori chimici è variante tra 200 e 500 nanometri.
La miniaturizzazione della parte elettronica e di controllo del segnale è il nostro prossimo obiettivo.

Quali potranno essere le applicazioni di NASUS in campo industriale ed economico?
Come abbiamo avuto modo di spiegare, NASUS è una stazione sperimentale autonoma del tipo naso elettronico che introduce un nuovo paradigma tecnologico nel settore del monitoraggio ambientale dell’aria, basato su dispositivi-multisensori miniaturizzati a stato solido con nanomateriali di nanotubi di carbonio, alternativo ai sistemi analitici tradizionalmente impiegati per il monitoraggio ambientale in rete fissa. Inoltre, le promettenti prestazioni funzionali di NASUS possono essere anche sfruttate nell’ottica di una rete mobile per il monitoraggio dell’aria per la gestione delle emergenze ambientali.
Le ricadute economiche in termini di impatto ambientale e tutela della salute dei cittadini sono chiaramente evidenti, sostanziate dal basso costo della tecnologia innovativa proposta.
Le applicazioni industriali di NASUS interessano, oltre al monitoraggio ambientale, diversi settori tecnologici come ad esempio la domotica ad alta efficienza energetica per applicazioni domestiche e prevenzione di fughe di gas tossici, il controllo di processi industriali di ingegneria chimica e produzione di energia, la homeland security nel settore aeronautico e prevenzione anti-bioterrorismo, la sicurezza e la sorveglianza, la robotica e l’automazione, il controllo di qualità di prodotti agroalimentari, per prevenire la frode commerciale e tutelare la salute del consumatore, il biomedicale, l’automotive, il controllo ed il monitoraggio di processi di energie alternative da fonti rinnovabili.
La proprietà intellettuale dei sensori chimici innovativi a base di nanotubi di carbonio, funzionalizzati con nanocluster metallici, è tutelata da un brevetto italiano, a titolarità ENEA, idoneo per uno sfruttamento industriale.

Il premio ENEA che cosa significa per lei e per il suo gruppo di lavoro?
Il premio ENEA assegnatoci ha un’importante valenza scientifica per il nostro gruppo Sensori del Centro di Brindisi, anche in termini di visibilità interna all’Ente e radicamento nel territorio regionale. Premia il lavoro e le competenze sviluppate costantemente negli anni e riconosce la validità e l’eccellenza delle nostre intuizioni progettuali tradotte in dimostratori funzionanti ad alto valore aggiunto ed utili per uno sfruttamento industriale dei risultati delle ricerche condotte. Questo riconoscimento interno è per noi motivo di soddisfazione e stimolo anche perché realizzato in autofinanziamento. Ha un effetto moltiplicatore stimolando la partecipazione a bandi per proposte progettuali volte a sviluppare e migliorare questo primo risultato. E’ anche un riconoscimento al Centro ENEA di Brindisi, dove si svolgono ricerche di qualità e di eccellenza con notevoli ricadute economiche, come dimostrano anche, da parte di imprese ed università, le molteplici proposte di collaborazione, a progetti di ricerca di base, applicata ed industriale, a livello regionale, nazionale ed europeo, al servizio del Sistema-Paese.
Infine, voglio sottolineare che NASUS 1 è stata realizzata interamente all’interno dell’ENEA, dalla progettazione alla messa in opera, fino alle prove di qualificazione, con il contributo di competenze multidisciplinari e trasversali alle Sezioni ENEA operanti nel Centro di Brindisi. L’innovazione è coperta da brevetto nazionale e nel corso dell’ultimo anno è stata oggetto di 9 pubblicazioni su riviste ad elevato Impact Factor. I risultati ottenuti sono stati disseminati in prestigiose conferenze nazionali ed internazionali di settore, anche con relazioni su invito a congressi internazionali. Il Gruppo di lavoro Sensori è inserito in una rete nazionale ed internazionale di partnership, accademica ed industriale, confrontandosi costantemente con le eccellenze nazionali ed internazionali nel settore della sensoristica a stato solido, nanotecnologie e nanomateriali.

 

Stazione sperimentale autonoma NASUS 1 con unità di alimentazione e PC di controllo

NASUS1 in campo

Sensori di gas a base di film di nanotubi di carbonio (Brevetto ENEA, BO2008A000100)

 

Schema del sensore di gas con film di nanotubi di carbonio funzionalizzati con vari nanocluster metallici

Immagine al microscopio elettronico di film di nanotubi di carbonio

Immagine al microscopio elettronico di film di nanotubi di carbonio funzionalizzati in superficie con nanoscluster metallici di Oro

Risposte transienti di 4 sensori con film di nanotubi di carbonio funzionalizzati con diverso carico di Oro per rivelare gas di biossido di azoto (NO2)fino a 500ppb.

 

 Tutte le Candidature premiate

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