Dati atmosferici più continui per clima, meteo e ricerca
Il monitoraggio dell’atmosfera richiede strumenti capaci di raccogliere dati su vento, temperatura, aerosol, particelle e altri costituenti atmosferici con continuità e buona risoluzione verticale. I sistemi LiDAR, acronimo di Light Detection and Ranging, inviano impulsi laser nell’atmosfera e analizzano la luce retrodiffusa da molecole, aerosol, cristalli di ghiaccio, vapore acqueo o altri gas. Dal tempo di ritorno del segnale e dalle sue caratteristiche è possibile ricavare profili atmosferici utili per previsioni meteorologiche, modellistica climatica e osservazione ambientale.
Il problema delle osservazioni sopra i 5 chilometri
Il progetto europeo EULIAA, European Lidar Array for Atmospheric Climate Monitoring, nasce per affrontare una lacuna osservativa: le misure continue al di sopra dei 5 chilometri sono ancora limitate, perché questa quota rappresenta il limite operativo massimo di molti radar e LiDAR compatti commerciali. L’obiettivo è sviluppare una rete di unità LiDAR autonome capaci di misurare vento e temperatura tra 5 e 50 chilometri, funzionando 24 ore su 24 per più di un anno senza manutenzione e coprendo aree fino a 10.000 chilometri quadrati.
I partner coinvolti nel progetto EULIAA
EULIAA è finanziato nell’ambito di Horizon Europe con grant agreement 101086317, ha una durata prevista dal 1° gennaio 2023 al 31 dicembre 2026 e un costo totale indicato da CORDIS pari a 3.265.411,25 euro, con contributo UE di 2.995.164,88 euro. Il coordinamento è affidato a Fraunhofer-Gesellschaft, mentre tra i partner figurano Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik IAP, Altechna UAB, Andøya Space AS, Gordien Strato SARL, CNRS/LATMOS, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines e MeteoSwiss.
Dal laboratorio alle stazioni mobili
Al Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik di Kühlungsborn, il lavoro si collega al concetto VAHCOLI, Vertical And Horizontal Coverage by Lidar, pensato per studiare la media atmosfera con una rete distribuita di LiDAR compatti dotati di più campi di vista. L’IAP ha già sviluppato una piattaforma Doppler-LiDAR trasportabile di circa 1 metro cubo, con peso intorno a 250 chilogrammi e consumo di circa 500 watt, capace di operare anche di giorno. Una parte significativa dell’involucro e del sistema ottico è stata realizzata con stampa 3D.
Perché la stampa 3D entra nel cuore del progetto
La miniaturizzazione di una stazione LiDAR non significa soltanto ridurre le dimensioni del contenitore. In una piattaforma compatta devono convivere laser, ottiche, telescopi, rivelatori, elettronica, controllo, protezione meccanica e stabilità termica. BigRep spiega che l’IAP utilizza due stampanti BigRep ONE con volume di costruzione di 1 metro cubo per produrre internamente grandi componenti personalizzati, tra cui parti strutturali e sezioni dell’alloggiamento. Questo consente di adattare il componente alla funzione scientifica invece di vincolare il progetto ai limiti di lavorazioni tradizionali o fornitori esterni.
Componenti stampati: dall’involucro alle parti ottiche
La produzione additiva viene usata per l’involucro esterno, l’architettura strutturale, il tavolo ottico interno, componenti del telescopio, parti del compressore, isolamenti ed enclosure personalizzate per l’elettronica. Le stampanti di grande formato coprono gli elementi voluminosi, mentre sistemi più piccoli vengono impiegati per componenti delle unità ottiche. In questo modo la stampa 3D non sostituisce il principio fisico del LiDAR, ma contribuisce a rendere trasportabile, modificabile e replicabile l’infrastruttura che lo ospita.
Materiali: TPU, compositi rinforzati e gestione del filamento
La scelta dei materiali varia in base alla funzione: BigRep cita TPU flessibile per parti di isolamento e smorzamento, filamenti rinforzati con fibra di carbonio per componenti esterni esposti a sole, pioggia, vento e variazioni di temperatura, e l’uso del sistema BigRep DRYCON per essiccazione, conservazione controllata e trattamento termico dei filamenti. La gestione dell’umidità e della stabilità del materiale è un aspetto importante quando i pezzi stampati diventano parti funzionali destinate ad ambienti remoti.
Dalla singola stazione a una rete europea
Le unità EULIAA sono pensate per campagne in ambienti diversi: regioni polari, aree montane, Mediterraneo e zone prossime all’equatore. Fraunhofer ILT indica siti dimostrativi in Nord Norvegia, Svizzera, Francia e Tenerife, con l’obiettivo di verificare il funzionamento in condizioni fisiche impegnative. BigRep riferisce inoltre che uno dei primi sistemi opera già nella Norvegia settentrionale a 69 gradi di latitudine nord e che altri impieghi sono previsti in Francia, nelle Isole Canarie e in Svizzera.
Autonomia energetica e dati in tempo quasi reale
Il progetto non riguarda solo la meccanica della stazione, ma anche la possibilità di raccogliere dati atmosferici distribuiti e integrarli in infrastrutture europee. EULIAA punta a produrre dataset in tempo quasi reale per Copernicus e GEOSS, contribuendo a colmare lacune nelle osservazioni sopra i 5 chilometri. Le unità compatte sono progettate per consumi ridotti e possono essere alimentate con pannelli solari, piccole turbine eoliche o celle a combustibile, rendendo più praticabile il funzionamento fuori rete.
Il ruolo di BigRep e dell’additive manufacturing
Nel caso dell’IAP, BigRep non fornisce il LiDAR in sé, ma la tecnologia di produzione additiva di grande formato che permette di realizzare componenti su misura con cicli di iterazione più rapidi. La possibilità di modificare un design, ristamparlo e testarlo è particolarmente utile in un progetto sperimentale, dove l’integrazione tra ottica, struttura, isolamento e protezione ambientale richiede numerose revisioni. Per installazioni lontane dai centri logistici, la stessa logica può ridurre la dipendenza da ricambi prodotti altrove.
Applicazioni scientifiche e prospettive industriali
Un array LiDAR compatto può fornire misure distribuite di vento, temperatura e aerosol con maggiore continuità spaziale rispetto a singole installazioni fisse. Fraunhofer ILT evidenzia l’obiettivo di dimostrare la capacità di misurare parametri climatici in luce diurna, con osservazioni tra 5 e 50 chilometri, e di validare i dati con infrastrutture già consolidate come radar, LiDAR e palloni sonda. La tabella di marcia del progetto prevede anche il coinvolgimento di attori industriali, standardizzazione e utenti finali per valutare una futura rete europea.
Un approccio modulare per strumenti complessi
Il valore tecnico della stampa 3D sta nella modularità. Una stazione LiDAR contiene molte parti meccaniche, ottiche ed elettroniche che devono restare allineate, protette e operative per lunghi periodi. L’uso di stampa 3D consente di produrre supporti, canalizzazioni, isolamenti, pannelli, carter e interfacce interne con geometrie dedicate, riducendo assemblaggi superflui e adattando le parti ai vincoli di peso, spazio e manutenzione. In un contesto come EULIAA, questa flessibilità può accelerare il passaggio dal prototipo scientifico alla piattaforma ripetibile.
La collaborazione tra Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik IAP, Fraunhofer ILT, BigRep e gli altri partner di EULIAA mostra come la produzione additiva possa incidere su strumenti scientifici complessi non solo nella fase di prototipazione, ma anche nella costruzione di parti funzionali. L’obiettivo finale è portare misure atmosferiche continue in luoghi dove osservatori fissi sarebbero costosi, lenti da realizzare o difficili da mantenere. La stampa 3D rende la piattaforma più compatta e adattabile; la rete LiDAR, invece, resta il mezzo con cui trasformare queste stazioni mobili in dati utili per modelli climatici, previsioni meteorologiche e osservazione ambientale.
