Purdue sviluppa un sensore stampato in 3D per misurare il movimento delle acque sotterranee
Misurare la direzione e la velocità delle acque sotterranee è essenziale per comprendere la diffusione degli inquinanti, valutare il rapporto tra falde, fiumi e zone umide e controllare gli effetti dei prelievi idrici. Gli strumenti capaci di effettuare queste rilevazioni direttamente all’interno dei pozzi, tuttavia, sono costosi, complessi da produrre e disponibili in quantità limitate.
Un gruppo della Purdue University, negli Stati Uniti, sta affrontando il problema attraverso un sensore di flusso tridimensionale costruito con componenti elettronici assemblati in laboratorio e un involucro realizzato mediante stampa 3D. Il dispositivo, ancora oggetto di sviluppo e validazione sul campo, è stato concepito come un’alternativa a basso costo agli strumenti specializzati impiegati per studiare il movimento delle falde.
Il progetto è guidato da Jacob Hosen, docente di Internet of Things e analisi ecologica presso il Department of Forestry and Natural Resources della Purdue University. All’iniziativa partecipano anche Zaven Arra, responsabile tecnico dell’organizzazione River Restoration Intelligence and Verification, conosciuta con l’acronimo RRIV, e Keith Cherkauer, docente di ingegneria agricola e biologica alla Purdue University e direttore dell’Indiana Water Resources Research Center.
Il finanziamento proviene dal programma Next Generation Water Observing System dello U.S. Geological Survey, l’agenzia scientifica federale statunitense che studia il territorio, le risorse naturali e i sistemi idrici.
Perché è difficile misurare il flusso delle falde
Il livello dell’acqua all’interno di un pozzo permette di capire a quale quota si trova la falda, ma non descrive da solo come l’acqua si stia muovendo nel sottosuolo. Per ricostruire il trasporto di un contaminante o lo scambio idrico tra una zona umida e il terreno circostante servono anche informazioni sulla velocità e sulla direzione del flusso.
Questi parametri possono variare tra diversi strati del sottosuolo e cambiare nel corso del tempo. Una misura effettuata in un singolo punto o durante una campagna di breve durata può quindi restituire una rappresentazione incompleta del sistema idrogeologico.
Secondo la Purdue University, gli strumenti commerciali capaci di misurare il movimento tridimensionale dell’acqua nei pozzi hanno costi tanto elevati che anche lo U.S. Geological Survey ne possiede un numero limitato. Le fonti pubblicate sul progetto non indicano il prezzo preciso degli strumenti di riferimento, ma chiariscono che la scarsità di dispositivi riduce il numero dei punti osservabili e rende più difficile mantenere reti di monitoraggio permanenti.
La soluzione sviluppata a Purdue punta a spostare il modello produttivo: invece di acquistare un apparecchio chiuso e costruito da un unico fornitore, un laboratorio potrebbe assemblare il sensore utilizzando schede elettroniche, componenti reperibili sul mercato e parti stampate in 3D.
Come funziona il sistema di misura
Il dispositivo utilizza una serie di sensori di temperatura distribuiti su schede elettroniche. Il principio appartiene alla famiglia dei misuratori termici del flusso, nei quali una variazione controllata di temperatura viene rilevata da più elementi sensibili.
Quando l’acqua si muove, trasporta il calore nella direzione del flusso. Analizzando quali sensori registrano per primi la variazione termica, quanto cambia la temperatura e con quale andamento temporale, il sistema può ricavare informazioni sulla direzione e sulla velocità dell’acqua.
La presenza di più sensori disposti nello spazio permette di affrontare il problema in tre dimensioni, anziché limitarsi a distinguere un movimento verticale o orizzontale. Questo aspetto è importante nei pozzi che attraversano strati geologici diversi, dove l’acqua può entrare, uscire o cambiare direzione a differenti profondità.
Il sensore non misura soltanto la quantità d’acqua presente. Cerca di ricostruire il vettore del flusso locale, cioè la combinazione tra intensità e direzione del movimento. I dati ottenuti possono essere confrontati con modelli idrogeologici, analisi chimiche e misure del livello della falda.
Il ruolo dell’involucro stampato in 3D
La stampa 3D non è stata scelta soltanto per ridurre i costi di fabbricazione. La forma esterna del sensore incide direttamente sulla qualità della misura.
Un involucro troppo liscio, voluminoso o geometricamente inadatto può deviare l’acqua e creare turbolenze intorno alle schede elettroniche. In questo caso il dispositivo finirebbe per misurare un flusso alterato dalla propria presenza, invece di descrivere il movimento naturale nella formazione geologica.
Il gruppo della Purdue University sta quindi sperimentando superfici e texture capaci di riprodurre, per quanto possibile, le condizioni di passaggio dell’acqua attraverso il terreno. La produzione additiva permette di modificare rapidamente la geometria, stampare una nuova versione e sottoporla a test senza commissionare ogni variante a un produttore esterno.
Questo processo rende possibile intervenire su spessori, aperture, rugosità, canalizzazioni e punti di fissaggio. Ogni iterazione può essere valutata sia dal punto di vista idrodinamico sia in relazione alla protezione dell’elettronica.
L’obiettivo non è ottenere un contenitore esteticamente complesso, ma costruire una struttura che lasci passare l’acqua senza introdurre distorsioni incompatibili con la precisione richiesta.
Una produzione organizzata all’interno del laboratorio
La Purdue University acquista da fornitori statunitensi alcuni componenti che non possono essere prodotti internamente, comprese le schede elettroniche. I nomi delle aziende fornitrici non sono stati resi pubblici, perciò non è possibile attribuire loro un ruolo specifico senza ulteriori informazioni.
Le altre operazioni vengono svolte nel laboratorio. Il gruppo stampa gli involucri, monta i componenti e utilizza anche un piccolo forno modificato per il processo di rifusione delle saldature elettroniche. Questa tecnica consente di fissare i componenti sulle schede portando la pasta saldante alla temperatura necessaria in condizioni controllate.
Secondo Jacob Hosen, il costo dei materiali e dell’assemblaggio si colloca nell’ordine di poche centinaia di dollari per unità. Non si tratta ancora di un prezzo commerciale definitivo: il valore non comprende necessariamente tutte le attività di progettazione, calibrazione, sviluppo software, manutenzione e validazione richieste per trasformare un prototipo in uno strumento prodotto su vasta scala.
Il dato mostra comunque la possibilità di costruire più sensori con un budget che, nel mercato degli strumenti scientifici specializzati, potrebbe essere assorbito dall’acquisto di una sola apparecchiatura.
Dalla misura isolata a una rete di sensori
La riduzione del costo unitario può cambiare anche il modo in cui vengono organizzate le campagne di monitoraggio.
Un sensore costoso viene spesso spostato da un pozzo all’altro e utilizzato per misure circoscritte. Un dispositivo più economico può invece essere lasciato in posizione per mesi, permettendo di osservare variazioni stagionali, effetti delle precipitazioni, periodi di siccità, attività di pompaggio e cambiamenti prodotti da interventi sul territorio.
RRIV basa una parte della propria attività proprio sulla possibilità di costruire reti dense di strumenti ambientali a basso consumo. Secondo l’organizzazione, aumentare il numero dei punti di misura permette di rappresentare fenomeni che potrebbero non emergere da poche stazioni distanti tra loro.
RRIV sviluppa piattaforme aperte per l’acquisizione dei dati, il controllo di sensori e la gestione di esperimenti in laboratorio, in vasche sperimentali e sul campo. Il sensore della Purdue University si inserisce in questa impostazione, combinando hardware modificabile, registrazione locale e telemetria.
Una rete composta da numerosi dispositivi potrebbe seguire il percorso di un pennacchio contaminato, identificare aree di ingresso e uscita dell’acqua in una zona umida o confrontare il comportamento della falda in punti caratterizzati da differenti proprietà del terreno.
Trasmissione LoRa e salvataggio locale
I sensori sono progettati per trasmettere i dati attraverso la rete LoRa installata dal gruppo Agriculture IT della Purdue University. LoRa è una tecnologia radio sviluppata dall’azienda Semtech per comunicazioni a lunga distanza e basso consumo. Lo standard di rete LoRaWAN è sviluppato e mantenuto dalla LoRa Alliance, associazione internazionale senza fini di lucro di cui Semtech è membro fondatore.
Semtech e LoRa Alliance non risultano indicate come partner diretti del progetto sul sensore. Le loro tecnologie costituiscono però una parte dell’infrastruttura di comunicazione utilizzata per le prove.
Una rete LoRaWAN è adatta ai sensori ambientali perché consente di trasferire piccoli pacchetti di dati senza il consumo energetico tipico delle connessioni cellulari o Wi-Fi. In aree agricole e siti di ricerca estesi può inoltre funzionare anche dove non sono disponibili reti informatiche tradizionali.
Il dispositivo conserva una copia dei dati anche in una memoria locale. Questa ridondanza evita che un’interruzione della connessione provochi la perdita delle misure. Quando il segnale non raggiunge il gateway o la rete non è disponibile, le letture restano memorizzate e possono essere recuperate durante la manutenzione.
La telemetria permette invece ai ricercatori di controllare lo stato del dispositivo, individuare anomalie e consultare i dati senza estrarre ogni volta il sensore dal pozzo.
I test di durata sott’acqua
Uno dei problemi principali degli strumenti installati nei pozzi riguarda l’affidabilità nel tempo. Acqua, pressione, sedimenti, corrosione e variazioni di temperatura possono danneggiare guarnizioni, cavi e circuiti.
Nei primi test comunicati dalla Purdue University, i dispositivi hanno funzionato sott’acqua per sette-otto mesi senza guasti. Il risultato indica che l’architettura può sostenere installazioni prolungate, ma non costituisce ancora una certificazione della durata su scala industriale.
Per valutare l’idoneità a un impiego operativo serviranno ulteriori prove su infiltrazioni, resistenza meccanica, stabilità dei materiali stampati, deriva dei sensori, consumo energetico e ripetibilità delle misure. Sarà inoltre necessario verificare come l’apparecchio si comporti in acque con diversa composizione chimica e in pozzi soggetti a depositi minerali o presenza di particelle.
L’obiettivo dichiarato è arrivare a installazioni capaci di operare per periodi compresi tra diversi mesi e alcuni anni. Una durata di questo tipo ridurrebbe il numero degli interventi necessari e renderebbe più sostenibile la gestione di reti distribuite.
Le prove sul fiume Kankakee e nella zona umida ACRE
La prima sperimentazione sul campo di maggiore estensione è prevista in un sito dello U.S. Geological Survey lungo il fiume Kankakee, vicino al confine tra Indiana e Illinois. Il test servirà a confrontare le misure del nuovo dispositivo con le condizioni idrologiche osservate nel sito e con gli strumenti già disponibili.
Altre unità saranno collocate nella zona umida dell’Agronomy Center for Research and Education della Purdue University. Il centro ACRE si trova a circa undici chilometri a nord-ovest del campus di West Lafayette e occupa una superficie di circa 1.600 acri, equivalenti a quasi 650 ettari. Comprende terreni di prateria e suoli forestali ed è utilizzato come laboratorio all’aperto da più dipartimenti universitari.
L’installazione nella zona umida permetterà di studiare gli scambi tra acqua superficiale, terreno saturo e falda. Questi ambienti possono perdere o ricevere acqua attraverso percorsi sotterranei non sempre visibili dalle sole osservazioni in superficie.
Le possibili applicazioni
Il monitoraggio dei contaminanti è uno degli impieghi principali. Quando una sostanza raggiunge il sottosuolo, la sua diffusione dipende sia dalle proprietà chimiche sia dal movimento dell’acqua. Conoscere la direzione del flusso aiuta a scegliere dove collocare i pozzi di controllo e a valutare se un intervento di bonifica stia contenendo il problema.
Jacob Hosen ha indicato tra i potenziali utilizzatori anche il Department of Defense degli Stati Uniti, che gestisce siti nei quali possono essere necessarie attività di caratterizzazione e risanamento delle falde. Non è stata annunciata una fornitura del sensore al Dipartimento della Difesa: si tratta di un’applicazione individuata dal gruppo di ricerca.
Un altro ambito riguarda i data center. Queste infrastrutture possono utilizzare acqua per il raffreddamento e, in alcuni territori, attingere anche da risorse sotterranee. Una rete di sensori potrebbe contribuire a distinguere gli effetti dei prelievi dalle normali oscillazioni stagionali della falda.
Nel settore delle costruzioni, la conoscenza del movimento dell’acqua può supportare l’analisi di fondazioni, scavi e terreni saturi. Variazioni della pressione interstiziale e del drenaggio possono influire sulla stabilità del suolo, anche se il sensore di Purdue dovrebbe essere integrato con indagini geotecniche e altri strumenti.
Ulteriori impieghi comprendono lo studio dell’intrusione salina nelle aree costiere, la gestione delle falde agricole, l’osservazione degli scambi tra fiumi e acquiferi e il controllo degli interventi di ripristino ambientale.
Un progetto collegato alla strategia NGWOS
Il Next Generation Water Observing System dello U.S. Geological Survey punta ad aumentare la quantità, la qualità e la frequenza dei dati disponibili sulle risorse idriche statunitensi. Il programma finanzia anche collaborazioni con università e imprese per sviluppare sensori, sistemi di comunicazione e metodi di osservazione trasferibili alle attività operative nazionali.
Il progetto della Purdue University era già stato presentato nel febbraio 2024 all’interno della serie di seminari del National Innovation Center dello U.S. Geological Survey. Alla presentazione parteciparono Jacob Hosen e Keith Cherkauer per Purdue University, Zaven Arra per RRIV e David Lampe e Lance Gruhn per lo U.S. Geological Survey.
Lo sviluppo è stato approfondito anche attraverso un lavoro accademico dedicato alla modellazione e alla costruzione di un dispositivo tridimensionale per il monitoraggio delle acque sotterranee. La ricerca evidenzia la necessità di strumenti più economici, automatizzati e dotati di telemetria rispetto ai sistemi tradizionali per pozzi.
Il brevetto e l’impostazione open source
La Purdue University ha comunicato l’invenzione al Purdue Innovates Office of Technology Commercialization, che ha avviato la procedura per la protezione brevettuale. Il gruppo dichiara di voler utilizzare il brevetto per mantenere accessibile il progetto, anziché impostare il lavoro sulla vendita esclusiva di licenze.
Brevetto e open source non sono necessariamente incompatibili. Il titolare di un brevetto può stabilire condizioni che consentano l’uso, la modifica o la produzione della tecnologia, impedendo nello stesso tempo che un altro soggetto ne rivendichi il controllo esclusivo.
Le condizioni precise non sono state ancora pubblicate. Per valutare il grado di apertura bisognerà conoscere la futura licenza, la disponibilità dei file di stampa, gli schemi elettronici, il software, le procedure di calibrazione e le eventuali limitazioni per gli utilizzi commerciali.
La documentazione rappresenta un elemento decisivo. Un sensore può essere economico da assemblare, ma resta difficile da replicare quando mancano istruzioni sulla produzione, sui controlli di qualità e sull’interpretazione dei dati.
Un laboratorio di formazione oltre che di ricerca
Il progetto permette agli studenti della Purdue University di acquisire competenze che nei corsi ambientali e forestali non sono sempre integrate nello stesso percorso: progettazione elettronica, assemblaggio di circuiti, produzione additiva, comunicazioni IoT, programmazione e analisi idrologica.
Questa combinazione riflette l’evoluzione del monitoraggio ambientale. La raccolta dei dati non dipende più soltanto dalla conoscenza dei processi naturali, ma richiede anche capacità di costruire strumenti, amministrare reti e verificare la qualità delle informazioni prodotte.
Il sensore di Purdue non è ancora un prodotto industriale né uno strumento già adottato su larga scala dallo U.S. Geological Survey. Il suo valore sarà determinato dai risultati delle prove sul campo, dal confronto con i sistemi di riferimento e dalla possibilità di riprodurre le prestazioni tra unità costruite in laboratori diversi.
Il progetto mostra però come stampa 3D, elettronica accessibile e piattaforme aperte possano essere utilizzate per aumentare il numero dei punti di osservazione. In un settore nel quale la disponibilità degli strumenti limita spesso la quantità dei dati, costruire sensori più semplici da produrre può rendere possibile una rappresentazione più dettagliata del movimento dell’acqua nel sottosuolo.
