Previsioni migliori delle eruzioni vulcaniche

Per valutare meglio il pericolo rappresentato dai vulcani, i ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) hanno sviluppato un nuovo sistema di misurazione. I raggi laser vengono trasmessi attraverso le nubi di gas in fuga e riflessi dai droni. Un algoritmo utilizza i segnali riflessi per generare una mappa che mostra le concentrazioni di gas, inclusi livelli elevati di anidride carbonica. Il rapporto tra anidride carbonica e anidride solforosa rappresenta un indicatore importante delle eruzioni imminenti.

Quanto più violentemente la lava sale dall'interno della Terra verso la superficie, tanti più gas vengono rilasciati. I composti del carbonio e dello zolfo rappresentano dei buoni indicatori dell'attività attuale in un campo vulcanico. In particolare, il rapporto tra anidride carbonica e anidride solforosa fornisce informazioni su ciò che accade sotto la superficie terrestre. Finora queste misurazioni dovevano essere effettuate dal livello del suolo. Lo svantaggio è che i gas misurati non provengono esclusivamente dall'attività vulcanica ma sono emessi anche dalla vegetazione e dal suolo circostanti.

 

Per ridurre al minimo questi segnali di fondo, ora vengono utilizzati i droni per volare sopra le nubi di gas. "Questo è più preciso e più sicuro", afferma il prof. Achim Lilienthal, vicedirettore dell'Istituto di robotica TUM MIRMI e capo della cattedra di percezione per i sistemi intelligenti presso la Scuola di calcolo, informazione e tecnologia TUM.

Il ricercatore Marius Schaab (in primo piano), della TUM, esamina il drone destinato a sorvolare i gas vulcanici all'interno di un cratere sull'isola di Vulcano.

Misurazione autonoma dei gas su un campo vulcanico

 

Nell'ambito del progetto di ricerca DFG "Measurement Technology on Flying Platforms", il suo gruppo di ricerca ha ora sviluppato un sistema in grado di determinare le concentrazioni di gas su un campo vulcanico attivo con elevata precisione. Il ricercatore TUM Marius Schaab ha ora implementato il sistema in modo autonomo per la prima volta sull’isola eoliana di Vulcano, al largo delle coste della Sicilia. Ha montato un laser su un piccolo carrello che localizza automaticamente un drone in volo e si allinea con un riflettore sul drone. Il raggio riflesso è leggermente indebolito mentre attraversa la nube di gas perché viene assorbito dal gas da misurare, in questo caso l'anidride carbonica.

 

L'algoritmo calcola la mappa tomografica delle concentrazioni di gas

 

Mentre il drone percorre un percorso predeterminato per 10-15 minuti fino a 60 metri di distanza dal laser, il sistema effettua fino a 3.000 misurazioni. Un algoritmo converte i dati in una mappa che mostra la distribuzione delle concentrazioni di gas ad una determinata altitudine. Per fare ciò, i ricercatori tengono conto anche delle condizioni del vento locale. Precedenti ricerche nella galleria del vento hanno dimostrato che questo metodo è estremamente accurato, con un errore di misurazione di circa il 5%.

 

"Il nostro obiettivo è automatizzare i processi di misurazione e mappatura e fare in modo che l'intelligenza artificiale interpreti i dati", afferma Lilienthal, che ha dedicato molti anni alla ricerca sull'olfatto dei robot e ora, per la prima volta, utilizza un sistema di rilevamento autonomo basato su droni per monitorare i campi vulcanici.

 

Altri principi di misurazione utilizzati dai ricercatori a Magonza

 

A differenza del team TUM, il Prof. Thorsten Hoffmann dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza utilizza sensori di bordo nei suoi droni per misurare le concentrazioni chimiche nell'aria. Nelle celle di misura fotometriche, la luce di una lunghezza d'onda specifica viene assorbita per determinare la concentrazione di un gas. L'approccio elettrochimico, invece, si basa su reazioni redox sulla superficie dell'elettrodo.

 

"L'anidride carbonica e l'anidride solforosa sono particolarmente importanti per noi, perché il loro rapporto ci permette di capire cosa succede nel sottosuolo. La solubilità di questi gas nel magma dipende, tra l'altro, dalla pressione e quindi cambia con la profondità. Di conseguenza, la composizione della miscela di gas che fuoriesce fornisce indizi sui processi all'interno del sistema vulcanico", dice il chimico. "Voliamo direttamente nel pennacchio vulcanico, il che ci permette di determinare le concentrazioni di gas lungo la traiettoria di volo."

 

Il rapporto tra anidride carbonica e anidride solforosa è un indicatore affidabile di un'eruzione imminente

 

Oltre alle misurazioni geofisiche e della temperatura, i gas vulcanici sono un altro indicatore importante per valutare il pericolo rappresentato da un vulcano. Le ricerche condotte sull'Etna in Sicilia, sulle vicine Isole Eolie e sui Campi Flegrei vicino a Napoli mostrano che ciascuna area vulcanica ha la propria caratteristica firma del gas. Poco prima di un'eruzione, la composizione dei gas emessi dalle fumarole e dai pennacchi vulcanici spesso cambia in modo significativo. La vulcanologa Nicole Bobrowski dell'Università di Heidelberg spiega: "Ad esempio, il rapporto tra anidride carbonica e anidride solforosa inizialmente aumenta bruscamente e poi diminuisce di nuovo prima che inizi l'eruzione."

 

Ulteriori informazioni

 

Il professor Achim Lilienthal della TUM conduce da anni ricerche sull'olfatto dei robot. Prima di entrare a far parte della TUM quattro anni fa, l'esperto di robotica aveva già sviluppato robot in grado di rilevare metano, anidride carbonica e gas tossici. In una miniera a Kiruna, in Svezia, ha impiegato sensori capaci di rilevare quando le batterie delle attrezzature minerarie elettriche iniziavano a surriscaldarsi o addirittura a prendere fuoco. Utilizza i suoi "Gasbot" per creare mappe di concentrazione dei gas a partire da misurazioni di superficie, al fine di individuare le aree in cui si verificano fughe di metano. Vedi: https://www.mirmi.tum....t-zur-tum/

Il Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (TUM MIRMI) è un istituto di ricerca integrato del Politecnico di Monaco (TUM) incentrato sulla robotica e sull'intelligenza artificiale. Il TUM MIRMI riunisce competenze di eccellenza in settori chiave della robotica, tra cui la percezione e la scienza dei dati. Quasi 80 cattedre della TUM collaborano all'interno del TUM MIRMI per sviluppare soluzioni robotiche e basate sull'IA innovative per l'ambiente, la salute, la mobilità, il lavoro e, non da ultimo, la sicurezza e la difesa. Il prof. Lorenzo Masia dirige il TUM MIRMI. Maggiori informazioni:

www.mirmi.tum.de.

Pubblicazioni

 

Visual Cooperative Drone Tracking for Open-Path Gas Measurements; Marius Schaab, Alisha Kiefer, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Achim J. Lilienthal; https://www.researchgate.net/publication/401178423_Visual_Cooperative_Drone_Tracking_for_Open-Path_Gas_Measurements (presentato alla conferenza I2MTC a Nancy)

 

Towards Drone-based Mapping of Volcanic Gases using Gas Tomography; Marius Schaab, Niklas Karbach, Antonia Rabe, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Dmitriy Shutin, Thorsten Hoffmann, Achim J. Lilienthal; https://arxiv.org/abs/2605.27180 (presentato a ISOEN 2026 a Chongqing)

 

Stima del tasso di rilascio di metano mediante tomografia gassosa basata su modelli; Marius Schaab, Thomas Wiedemann, Patrick Hinsen, Achim J. Lilienthal; IEEE Sensors Letters, 9-2025; https://ieeexplore.ieee.org/document/11123752