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Nov 09, 2023

Per prevedere i cambiamenti ambientali, i ricercatori creano una nuova generazione di reti di sensori wireless

January 16, 2023 This

16 gennaio 2023

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di Andrew Nellis, Università di Chicago

L’“internet delle cose”, una rete crescente di dispositivi interconnessi – che costituisce di tutto, dalle lampadine intelligenti ai robot di magazzino – è considerata il pilastro centrale della “quarta rivoluzione industriale” per via del modo in cui migliora drasticamente la connettività e la condivisione delle informazioni.

Ora immagina quella rete che si espande oltre gli edifici e nel paesaggio, formando una rete sensoriale che monitora l’aria, il suolo e l’acqua per rilevare l’inquinamento e il contenuto di nutrienti. Tale rete è l’obiettivo di Supratik Guha, professore alla Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell’Università di Chicago e consulente senior presso l’Argonne National Laboratory.

Lui e il suo team stanno sviluppando "reti di sensori wireless": array di sensori che sorvegliano aree di terra e acqua vaste per monitorare l'inquinamento, i livelli di umidità e la composizione chimica. Questi sistemi, ritiene Guha, forniranno dati estremamente necessari sulla composizione in rapido cambiamento del pianeta.

"Queste reti di sensori forniranno dati in tempo reale e ad alta densità, essenziali per creare un quadro accurato di un ecosistema", ha affermato Guha. "Vogliamo vedere come vengono inquinati i fiumi, quanto fertilizzante viene dilavato dal terreno. Con dati migliori, gli ecologisti terrestri possono sviluppare modelli migliori di riciclaggio dell'azoto e del biossido di carbonio; gli agricoltori possono utilizzare esattamente la giusta quantità di acqua esattamente nel giusto modo. tempo."

In agricoltura, dati di piccole dimensioni possono avere implicazioni di vasta portata. Il contenuto volumetrico di acqua – quanta acqua viene assorbita in una particolare zona di terra – determina se un agricoltore irriga il suo campo oggi o lo rimanda. Troppa poca acqua e le piante potrebbero appassire. Troppa acqua aggrava l’erosione del suolo, spreca una risorsa sempre più rara e contamina la fornitura a valle.

Lo stesso si può dire per l’ecologia terrestre: i dati sono sovrani. Ma fino a tempi recenti è stato storicamente difficile ottenere dati di qualità sui cambiamenti ambientali a breve termine.

Sfruttando l'avvento di sensori meno costosi e sistemi wireless a bassa potenza come Sigfox, il Prof. Guha e il suo team hanno creato tre reti di sensori ambientali separate sotto il nome del progetto Thoreau (dal nome del famoso naturalista Henry David Thoreau). Una di queste reti monitora la qualità dell’acqua in diversi fiumi indiani, un’altra registra l’umidità del suolo attorno al campus dell’Università di Chicago, mentre una terza raccoglie informazioni sul suolo tutto l’anno in un’azienda agricola pilota vicino al Fermi National Laboratory a Batavia, Illinois.

Dottorato di ricerca del quarto anno lo studente Gregory Grant, che lavora al progetto, ne spiega il potenziale più ampio.

"Dispiegando sensori in modo discreto in un campo o, ad esempio, in una foresta nazionale o in una riserva naturale, possiamo monitorare la qualità dell'acqua o la temperatura del suolo", ha affermato Grant. "In un posto come la California, questo è uno strumento potente per monitorare gli incendi o aiutare la gestione agricola. Possiamo prendere decisioni informate su rischi, utilizzo dell'acqua, deflusso di fertilizzanti, inquinamento: c'è così tanto che impariamo."

La tecnologia dei sensori si evolve rapidamente e i componenti particolari utilizzati in ciascuna delle reti Thoreau sono cambiati nel tempo. La rete agricola Fermi (Thoreau 2.0) utilizza un sensore del suolo relativamente economico collegato a un circuito stampato rivestito di plastica. Questi "nodi" assomigliano a un piccolo smartphone senza schermo con un'antenna a punta che si estende da un'estremità.

Ciascuno dei 23 nodi dell'azienda agricola è sepolto a un piede e mezzo sotto la superficie dove rilevano il contenuto volumetrico di acqua, la temperatura e la conduttività elettrica del suolo. Quattro batterie AA agli ioni di litio alimentano i nodi, garantendo loro una durata operativa di circa quattro anni e mezzo.