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Sicurezza: da ENEA e NATO tecnologie innovative contro le minacce chimiche, biologiche, radiologiche e nucleari (CBRN)
Rilevare minacce chimiche, biologiche, radiologiche e nucleari (CBRN) da remoto e in tempo reale grazie a sensori quantistici di nuova generazione[1] che permettono misurazioni più precise, affidabili e basate su un minor numero di risorse rispetto ai sensori tradizionali. Sono alcuni dei risultati del progetto HADES[2], coordinato da ENEA e finanziato dal programma “Science for Peace and Security” (SPS) della NATO cui hanno partecipato la NATO Defense College Foundation, le Università degli Studi di Roma Tre e di Ginevra e le aziende Nucleco e Inov8 System.
In particolare, ENEA ha sviluppato uno spettrometro[3] quantistico, cioè un dispositivo innovativo in grado di localizzare, caratterizzare ed effettuare misurazioni su fotoni che non hanno mai interagito con il target, identificando le proprietà di varie potenziali minacce nell'infrarosso, tra cui liquidi e gas nocivi.
Rispetto ai sensori tradizionali i sensori quantistici hanno dimostrato vantaggi significativi come misurazioni più precise[4], anche con bassi flussi di radiazione e con piccole quantità di campione[5].
La ricerca condotta e i risultati ottenuti aprono nuove prospettive nella identificazione e localizzazione da remoto di potenziali minacce[6] nel settore della difesa ma anche per una vasta gamma di applicazioni in diversi segmenti industriali: dal settore medico, alla chimica-farmaceutica, dall’energia fino a trasporti e Spazio.
“Le scienze e le tecnologie quantistiche sono uno dei campi di ricerca più promettenti a livello internazionale soprattutto nel settore security, dove abbiamo lavorato anche all’elaborazione di una roadmap per il Quantum Sensing”, evidenzia Andrea Chiuri del Laboratorio di Diagnostica e Metrologia dell’ENEA. “Inoltre, sfruttando in modo controllato le proprietà di particelle quantistiche come i fotoni è possibile realizzare sensori e strumenti di misura di varie grandezze fisiche con estrema accuratezza, utili anche in ambito biomedicale, grazie alla possibilità di lavorare anche con bassi flussi di radiazione e senza danneggiare il campione”.
Nell’ambito del progetto sono stati anche effettuati dei test su target reali solidi, liquidi e gassosi, inclusi i Composti Organici Volatili (VOCs), ossia particolari composti chimici che evaporando nell’aria a temperatura ambiente, rappresentando una potenziale minaccia per l'uomo. La sperimentazione effettuata ha dimostrato la validità dell’approccio in termini di affidabilità, sensibilità, stabilità e precisione.
Nel ruolo di utilizzatori finali sono stati coinvolti, oltre a Nucleco, Inov8 System e Nato Defence College Foundation, docenti afferenti alle Università degli Studi di Milano, Paderborn, Darmstadt e Berlino (Germania) e ricercatori dell’INRIM.
Note
[1] Un sensore quantistico è un dispositivo che utilizza le leggi della fisica quantistica per effettuare delle misure. La fisica quantistica è una parte della scienza che studia il comportamento delle particelle più piccole dell'Universo.
[2] HADES - HAzard DEtection with Quantum Sensors.
[3] Uno spettrometro classico è un dispositivo che consente di ricavare informazioni che possono permettere di identificare una sostanza. Lo spettrometro raccoglie la luce, la scompone nei suoi vari colori, o lunghezze d'onda, e ne misura l'intensità. Questo crea uno spettro, che è come una "firma" unica della luce analizzata. Ogni sostanza ha una firma spettrale unica.
[4] A. Chiuri, et al., Ghost imaging as loss estimation: Quantum versus classical schemes, Phys. Rev. A 105, 013506 (2022.
[5] A. Chiuri, M. Barbieri, I. Venditti, F. Angelini, C. Battocchio, M. G. A. Paris, and I. Gianani, Fast remote spectral discrimination through ghost spectrometry, Phys. Rev. A 109, 042617 (2024).
[6] A. Chiuri, M. Barbieri, I. Venditti, F. Angelini, C. Battocchio, M. G. A. Paris, and I. Gianani, Fast remote spectral discrimination through ghost spectrometry, Phys. Rev. A 109, 042617 (2024)
Pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali
A. Chiuri, et al., Ghost imaging as loss estimation: Quantum versus classical schemes, Phys. Rev. A 105, 013506 (2022)
Nella quale è stato dimostrato il vantaggio metrologico che risiede nell’approccio quantistico rispetto a quello classico.
A. Chiuri, et al.,Quantum Ghost Imaging Spectrometer, ACS Photonics 10, 12, 4299–4304 (2023)
Questo lavoro ha rappresentato la prima dimostrazione sperimentale del possibile uso delle tecnologie quantum sviluppate con HADES per misure iperspettrali, grazie alle quali si possono ottenere informazioni riguardo la localizzazione di una potenziale minaccia e la sua identificazione.
A. Chiuri, M. Barbieri, I. Venditti, F. Angelini, C. Battocchio, M. G. A. Paris, and I. Gianani, Fast remote spectral discrimination through ghost spectrometry, Phys. Rev. A 109, 042617 (2024)
Con questo articolo è stata dimostrata la possibilità di rilevare la presenza di una potenziale minaccia con un numero molto piccolo di risorse, ovvero di fotoni rilevati. Tale potenzialità è una peculiarità dell’approccio quantistico implementato.
Conferenze internazionali
A. Chiuri et al, oral presentation at EPIC RoundTable at OPTRO: Smart Optronic Detectors for Challenging Targets, Palais des Congrès – Versailles 10 Giugno 2022
A. Chiuri et al, invited oral presentation at final meeting of the BRIC2019-ID07 project - An integrated array of fixed and mobile sensors for dynamical spatio-temporal mapping of volatile compounds in work environments, INFN LNF Frascati (RM), 21 Feb 23
A. Chiuri et al, Invited oral presentation at the workshop DEUPAS "Ultrasensitive monitoring of VOCs and pathogens by spectroscopy - Innovative solutions and sensor systems for air-quality monitoring'', INFN LNF Frascati (RM), July 4th-5th, 2023
A. Chiuri et al / S. Neves et al, oral contributions @ the final meeting of the Stormytune FET project Gaeta 19.06.24
A. Chiuri et al oral contribution accepted @ ICDTF Frascati 21-23 October 2024