Un modello fisico del territorio grande fino a 5,4 × 4,5 metri, composto da 56 elementi stampati in 3D e realizzato in circa cento giorni di produzione, sta permettendo ai ricercatori del WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF e dell’ETH Zürich di riprodurre in laboratorio alcuni dei meccanismi che governano frane, valanghe di roccia, ghiaccio e colate detritiche. Il terreno riprodotto è quello di Blatten, nel Lötschental svizzero, dove il 28 maggio 2025 il collasso del Birchgletscher e delle masse rocciose provenienti dal Kleines Nesthorn seppellì gran parte dell’abitato. Il modello, costruito in scala 1:577, non è stato concepito come semplice rappresentazione geografica: costituisce una vera infrastruttura sperimentale sulla quale acqua, sabbia, argilla e altri materiali possono essere rilasciati in quantità controllate, mentre telecamere, laser, scanner 3D e sensori registrano l’evoluzione del movimento.
Dalla catastrofe di Blatten a una piattaforma sperimentale controllabile
L’evento del 28 maggio 2025 ha fornito ai ricercatori un caso particolarmente complesso. Nei giorni precedenti, movimenti e cadute di roccia dal Kleines Nesthorn avevano accumulato grandi quantità di materiale sul Birchgletscher. Il 19 maggio circa 300 abitanti erano già stati evacuati in via precauzionale. Alle 15:30 del 28 maggio, gran parte del ghiacciaio e il materiale roccioso sovrastante collassarono verso il fondovalle. Le analisi successive condotte da ETH Zürich e SLF hanno stimato in circa 9,3 milioni di metri cubi il volume complessivo di roccia, detriti e ghiaccio coinvolto, mentre le autorità del Canton Vallese indicarono circa 10 milioni di metri cubi di materiale depositato nel fondovalle. La massa raggiunse uno spessore di diverse decine di metri e si estese per circa due chilometri, ricoprendo gran parte di Blatten e bloccando il corso della Lonza. L’accumulo provocò anche la formazione di un lago temporaneo a monte della barriera naturale costituita dai detriti.
Le conseguenze andarono molto oltre la distruzione degli edifici. Una persona perse la vita, circa 72 ettari di terreni agricoli andarono perduti e le sole perdite assicurate relative agli edifici furono successivamente stimate dal Canton Vallese in circa 260 milioni di franchi svizzeri. Furono inoltre danneggiate o distrutte strade, reti elettriche, sistemi idrici e altre infrastrutture. Proprio la combinazione di roccia, ghiaccio, acqua, variazioni improvvise di pendenza, canalizzazioni naturali e ostacoli rende Blatten un caso di studio particolarmente utile per comprendere i limiti dei modelli convenzionali utilizzati per prevedere l’estensione delle grandi masse in movimento.
Perché costruire un territorio di dodici metri quadrati con la stampa 3D
Il gruppo guidato da Johan Gaume, responsabile della ricerca sui movimenti di massa alpini presso lo SLF e professore all’ETH Zürich, sviluppa parallelamente modelli numerici tridimensionali destinati a simulare frane, valanghe di roccia, colate detritiche e fenomeni nei quali interagiscono materiali differenti. Un modello computerizzato, tuttavia, deve essere confrontato con dati reali per stabilire se le assunzioni fisiche e i parametri utilizzati producano risultati attendibili. Gli eventi naturali offrono dati preziosi, ma presentano un problema evidente: non possono essere ripetuti modificando una sola variabile alla volta.
Da qui nasce il valore del modello stampato in 3D. In laboratorio è possibile riprodurre più volte lo stesso esperimento, cambiare la quantità di materiale, modificarne la composizione, introdurre un ostacolo oppure variare determinati parametri mantenendo invariato tutto il resto. I risultati diventano così confrontabili e possono essere utilizzati per verificare le simulazioni digitali. In questo senso la stampa 3D non viene utilizzata per produrre un prototipo destinato alla successiva industrializzazione, ma per trasformare una topografia reale e altamente irregolare in uno strumento scientifico ripetibile.
Il modello di Blatten in numeri
| Parametro | Valore / configurazione |
|---|---|
| Territorio riprodotto | Lötschental, Blatten, Birchchinn e area verso il Kleines Nesthorn |
| Scala | 1:577 |
| Dimensione massima modello topografico | 5,4 × 4,5 m |
| Superficie | circa 12 m² |
| Numero di elementi stampati | 56 |
| Dimensione indicativa dei singoli elementi | circa 50 × 50 cm |
| Tempo complessivo di stampa | circa 100 giorni |
| Tratto inclinato del canale sperimentale | 4,5 × 2 m |
| Tratto orizzontale di deflusso | fino a 6 m |
| Massa massima introducibile | 1.000 kg |
| Volume utilizzato negli esperimenti descritti | 48 litri |
| Materiali sperimentali | acqua, sabbia, argilla e altre componenti |
| Principali strumenti di misura | telecamere, laser, scanner 3D, piastra di forza, sensori di pressione interstiziale |
Cinquantasei parti stampate separatamente e poi assemblate
Realizzare fisicamente una superficie di queste dimensioni ha richiesto di trasformare la topografia digitale in un modello fabbricabile. I ricercatori hanno sviluppato un software dedicato per selezionare l’area geografica da riprodurre e suddividerla in sezioni compatibili con le dimensioni del processo di stampa. Il territorio è stato così segmentato in 56 elementi, ciascuno di circa 50 × 50 centimetri, fabbricati separatamente e successivamente riuniti.
La produzione additiva è particolarmente adatta a questo compito perché una superficie montuosa presenta una geometria tridimensionale estremamente articolata: creste, canaloni, bruschi cambiamenti di pendenza, superfici concave e convesse e piccole variazioni locali possono influire sulla propagazione di una massa. Riprodurre questa morfologia attraverso lavorazioni tradizionali richiederebbe un importante lavoro di fresatura, assemblaggio o modellazione manuale. Partendo direttamente dal dataset digitale del terreno, invece, è possibile convertire l’altimetria in una geometria fisica mantenendo in modo sistematico la relazione spaziale tra le differenti zone.
Il tempo di stampa complessivo, circa 100 giorni, mostra anche la scala dell’esperimento. Non si tratta di un piccolo plastico dimostrativo. Una volta assemblato, il modello raggiunge circa dodici metri quadrati di superficie ed è integrato in un impianto sperimentale nel quale il tratto inclinato misura 4,5 metri di lunghezza per 2 metri di larghezza, seguito da una zona orizzontale che può arrivare a sei metri.
Un ex bunker militare trasformato in laboratorio per i rischi naturali
Il sistema è stato montato in un ex bunker militare nei pressi di Davos, oggi appartenente allo SLF. Le dimensioni dell’infrastruttura hanno anche imposto una particolarità: per adattarsi allo spazio disponibile, la riproduzione di Blatten è stata installata in configurazione speculare rispetto alla geografia reale. Dal punto di vista sperimentale questo non impedisce di conservare le relazioni geometriche necessarie allo studio della dinamica del flusso.
Una volta stampati, i moduli non sono stati semplicemente avvitati tra loro. Le superfici sono state rivestite e verniciate per ottenere valori di rugosità e proprietà ottiche controllati. È un elemento determinante. La rugosità influenza l’interazione tra la massa e il terreno e quindi attrito, velocità e distanza di propagazione; le caratteristiche ottiche, invece, devono essere compatibili con i sistemi di acquisizione utilizzati per osservare il fenomeno. Per un esperimento quantitativo non basta quindi che la forma della montagna sia visivamente corretta: anche la superficie deve possedere caratteristiche note e ripetibili.
L’idea di realizzare il modello è stata sviluppata da Hervé Vicari, collaboratore scientifico dello SLF. La piattaforma è stata progettata fin dall’inizio in modo modulare: Blatten costituisce il primo terreno realizzato con queste dimensioni, ma la struttura sottostante potrà essere riutilizzata installando in futuro modelli di altre regioni o differenti configurazioni topografiche.
Una frana artificiale comincia aprendo una paratia
Gli esperimenti partono dalla preparazione della miscela che deve simulare il movimento di massa. Acqua, sabbia, argilla e altri componenti vengono dosati secondo rapporti definiti dagli scienziati. La miscela viene collocata in un contenitore nella zona superiore dell’impianto. L’apertura di una paratia rilascia quindi il materiale sul modello e dà inizio all’esperimento.
La massa percorre la topografia riprodotta seguendo pendenze e canaloni, accelera, modifica la propria direzione, può erodere materiale, colpire ostacoli, rallentare e infine depositarsi. Variando la composizione è possibile studiare fenomeni differenti. Una miscela con un maggiore contenuto di acqua, per esempio, non presenta necessariamente le stesse proprietà di una massa costituita soprattutto da materiale granulare; la presenza di ghiaccio o la pressione dell’acqua nei pori può modificare profondamente la mobilità.
L’impianto è dimensionato per introdurre fino a una tonnellata di materiale, anche se gli esperimenti illustrati dallo SLF utilizzano un volume di 48 litri. La possibilità di aumentare considerevolmente la massa consente di progettare in futuro campagne sperimentali differenti senza dover ricostruire l’intera infrastruttura.
Telecamere, laser e scanner 3D trasformano l’esperimento in dati
La parte più importante dell’impianto non è necessariamente quella che si vede durante la caduta della miscela, ma il sistema utilizzato per misurarla. I ricercatori hanno installato telecamere, laser, uno scanner 3D, una piastra per la misurazione delle forze e sensori di pressione interstiziale. L’obiettivo è ricavare dati quantitativi relativi a parametri come altezza del flusso, velocità, distanza raggiunta, forma e distribuzione del deposito e dinamica dell’impatto.
| Sistema di misura | Informazione studiata |
|---|---|
| Telecamere | evoluzione del movimento e traiettoria |
| Laser | altezza e geometria del flusso |
| Scanner 3D | morfologia e distribuzione spaziale dei depositi |
| Piastra di forza | sollecitazioni durante l’impatto |
| Sensori di pressione interstiziale | comportamento dell’acqua all’interno della massa |
| Analisi delle immagini | velocità, fronte del movimento e propagazione |
| Confronto pre/post test | erosione e accumulo del materiale |
Lo scanner tridimensionale consente, per esempio, di confrontare la superficie prima e dopo il test e ricostruire con precisione dove si è accumulato il materiale. Le piastre di forza permettono invece di misurare direttamente le sollecitazioni generate quando la massa incontra un ostacolo. Si tratta di informazioni importanti anche dal punto di vista applicativo: nella progettazione di opere di protezione non interessa soltanto sapere se una frana raggiungerà una determinata posizione, ma anche con quale velocità, spessore e forza potrebbe colpire l’infrastruttura.
Il problema della pressione interstiziale
Tra gli strumenti presenti nell’impianto figurano sensori dedicati alla pressione interstiziale, ossia alla pressione esercitata dall’acqua presente negli spazi tra le particelle. È un parametro importante nella meccanica dei terreni perché un aumento della pressione dell’acqua può diminuire la resistenza effettiva tra i granuli e rendere la massa più mobile. In condizioni estreme il materiale può assumere un comportamento molto più fluido di quanto suggerirebbe la sola osservazione della componente solida.
Il gruppo di Johan Gaume studia proprio fenomeni nei quali materiale granulare, acqua, neve, ghiaccio e roccia possono interagire. Le attività di ricerca comprendono modelli termo-idro-meccanici capaci di considerare effetti come attrito, cambiamenti di fase e fluidizzazione provocata dalla pressione nei pori. Disporre di esperimenti nei quali questi parametri possono essere misurati direttamente offre quindi un punto di confronto importante per verificare le assunzioni dei modelli numerici.
Dal plastico stampato in 3D al modello numerico tridimensionale
Il modello fisico di Blatten si inserisce in un programma di ricerca che SLF ed ETH Zürich stanno portando avanti da diversi anni. Il gruppo utilizza, tra gli altri approcci, la Material Point Method (MPM), una tecnica numerica particolarmente adatta alla simulazione di materiali che subiscono deformazioni molto grandi. A differenza di un oggetto strutturale che conserva sostanzialmente la propria geometria, una massa composta da roccia, ghiaccio, acqua o neve può frammentarsi, scorrere, accelerare, cambiare direzione e perfino perdere temporaneamente il contatto con il terreno.
Questo è uno dei problemi dei tradizionali modelli “depth-averaged”, ampiamente utilizzati nella pratica. Essi semplificano la massa trattandola essenzialmente come uno strato che scorre lungo la superficie e utilizzano valori medi per descriverne altezza e velocità. Sono strumenti molto utili e computazionalmente efficienti, ma possono incontrare difficoltà quando la geometria diventa fortemente tridimensionale.
A Blatten il fenomeno rappresentava proprio una di queste situazioni. La massa iniziò a muoversi in un’area relativamente aperta, entrò successivamente in una zona molto più stretta e terminò in una gola orientata diversamente rispetto alla direzione iniziale. L’interazione con la topografia generò effetti nei quali parte del materiale venne proiettata in aria. Le analisi ETH/SLF hanno indicato che alcune particelle potrebbero aver raggiunto altezze superiori a cento metri rispetto alla superficie del terreno.
La simulazione effettuata prima del crollo aveva previsto la propagazione con notevole precisione
Il caso di Blatten è interessante perché Johan Gaume e i colleghi non si sono limitati a simulare l’evento dopo la catastrofe. Nel maggio 2025, mentre la situazione del Birchgletscher stava evolvendo e il paese era già stato evacuato, il gruppo effettuò una simulazione preventiva utilizzando il proprio modello tridimensionale.
I ricercatori ipotizzarono il rilascio di circa 10 milioni di metri cubi di roccia e ghiaccio, valore risultato molto vicino ai circa 9,3 milioni di metri cubi determinati dalle successive analisi dell’evento. La simulazione prevedeva che gran parte di Blatten sarebbe stata interessata e che il piccolo insediamento di Weissenried sarebbe rimasto appena fuori dalla principale massa di materiale. Anche l’estensione laterale calcolata risultò vicina a quella osservata: circa 1,2 chilometri sul lato sud-occidentale della valle e circa 700 metri sul lato nord-orientale.
Un precedente test era stato effettuato nel 2023 per il movimento di massa sopra Brienz/Brinzauls, nel Canton Grigioni. In quel caso i ricercatori avevano eseguito una cosiddetta blind simulation, utilizzando il modello senza regolare successivamente i parametri per adattarli all’evento. La simulazione indicava che la massa si sarebbe arrestata poche decine di metri prima delle prime abitazioni; l’evento reale presentò un’estensione molto simile. Per il gruppo di ricerca questi confronti rappresentano passaggi importanti verso l’utilizzo operativo dei modelli nella valutazione del rischio.
Perché il modello fisico serve se la simulazione al computer funziona già
Il successo delle simulazioni non elimina la necessità degli esperimenti fisici. È quasi il contrario: quanto più un modello viene utilizzato per prevedere eventi reali, tanto maggiore diventa la necessità di verificare quali parti della fisica riesca effettivamente a riprodurre. Un risultato corretto può infatti derivare da un modello corretto oppure dalla compensazione fortuita di più approssimazioni.
Sul modello stampato in 3D i ricercatori possono osservare contemporaneamente ciò che accade e misurare le variabili che lo determinano. Possono quindi confrontare il risultato sperimentale con quello del computer e capire dove compaiono differenze. La possibilità di ripetere il test permette inoltre di verificare quanto un fenomeno sia sensibile a piccoli cambiamenti nelle condizioni iniziali.
La ricerca di Gaume si concentra ora in particolare sull’influenza della curvatura del terreno sulla dinamica del flusso. Una massa che attraversa una superficie concava, una brusca variazione di pendenza o un versante opposto può subire variazioni di pressione, accelerazione e direzione che non sono facilmente rappresentabili attraverso una semplice inclinazione media. Nei futuri esperimenti saranno studiati anche fenomeni di erosione, collisione con ostacoli e capacità del materiale di risalire il versante opposto dopo aver attraversato il fondovalle.
Una piattaforma modulare per studiare più territori
Il modello di Blatten rappresenta quindi soltanto la prima configurazione del sistema. La struttura è stata progettata affinché i 56 elementi topografici possano lasciare il posto ad altre geometrie stampate in 3D. Lo stesso impianto di rilascio e la stessa strumentazione potranno quindi essere utilizzati per studiare un altro pendio reale oppure una topografia artificiale appositamente progettata per isolare uno specifico fenomeno fisico.
È un vantaggio importante della produzione additiva applicata alla ricerca. Una volta definito il workflow che trasforma un dataset topografico in moduli stampabili, cambiare il territorio non significa costruire un nuovo laboratorio. È sufficiente produrre una nuova serie di moduli compatibili con il telaio esistente. La geometria diventa quindi una componente intercambiabile dell’apparato sperimentale.
La stampa 3D come strumento di ricerca sulle catastrofi naturali
Il progetto dello SLF rappresenta un utilizzo della manifattura additiva molto diverso dalle applicazioni industriali più conosciute. Il valore non nasce dalla riduzione del peso di un componente, dalla personalizzazione di un dispositivo medicale o dall’integrazione di canali interni, ma dalla possibilità di trasferire nel mondo fisico una quantità molto elevata di informazione geografica.
Nel caso di Blatten la geometria non è un dettaglio secondario dell’esperimento: è parte della variabile fisica studiata. Se una curva del terreno può modificare la traiettoria di milioni di metri cubi di materiale, poterla riprodurre con sufficiente precisione diventa essenziale. La stampa 3D permette di partire direttamente dal modello digitale del territorio, dividerlo automaticamente in sezioni, produrlo e poi sostituirlo con un altro terreno senza modificare l’infrastruttura principale.
L’integrazione con scanner 3D chiude inoltre un interessante ciclo digitale. La geometria reale viene acquisita e trasformata in dati; i dati vengono utilizzati per fabbricare il modello fisico; l’esperimento modifica la distribuzione dei materiali sulla superficie; un nuovo rilievo tridimensionale misura il risultato; questi dati vengono infine confrontati con la simulazione numerica. Produzione additiva, metrologia 3D e modellazione numerica diventano quindi parti dello stesso metodo di ricerca.
Dalla comprensione scientifica alla pianificazione del territorio
L’obiettivo finale non è riprodurre in miniatura la distruzione di Blatten, ma migliorare la capacità di prevedere dove possa arrivare una massa e quali infrastrutture possa interessare. I risultati dei modelli possono diventare uno degli elementi messi a disposizione di Cantoni, Comuni e responsabili della gestione dei rischi naturali per valutare scenari, pianificare evacuazioni, definire zone di pericolo e progettare eventuali opere di protezione.
Il caso del 2025 ha mostrato quanto queste informazioni possano essere importanti in una regione alpina abitata. L’evacuazione preventiva di Blatten aveva permesso di allontanare la quasi totalità della popolazione prima del collasso principale. Allo stesso tempo, la catastrofe ha modificato la stessa geografia del fondovalle, rendendo necessario aggiornare le carte dei pericoli naturali prima di pianificare la futura ricostruzione.
Il modello fisico stampato in 3D non sostituirà monitoraggio satellitare, osservazioni geologiche, misurazioni sul campo o simulazioni numeriche. Il suo valore sta proprio nell’integrarsi con questi strumenti offrendo qualcosa che gli altri non possono fornire facilmente: un evento complesso che può essere generato nuovamente, osservato da vicino, misurato e modificato in condizioni controllate.
Per SLF ed ETH Zürich, la ricostruzione di Blatten rappresenta quindi un investimento di ricerca a lungo termine. I cento giorni necessari per stampare i 56 moduli sono soltanto la prima fase di un programma che potrà utilizzare la stessa infrastruttura per numerosi studi. In questo contesto la produzione additiva diventa una tecnologia abilitante per trasformare paesaggi reali in laboratori fisici e mettere alla prova modelli destinati, un giorno, a contribuire alla protezione di insediamenti e infrastrutture nelle regioni alpine.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
