Fisica per la sostenibilità

Nelle comunità scientifiche, e in particolare in fisica, la sostenibilità viene oggi affrontata non solo come fenomeno da studiare ma come tema cruciale da incorporare in tutti i grandi progetti scientifici futuri come, ad esempio, il Future Circular Collider (FCC) e l’Einstein Telescope (ET), oltre che nelle attività di ricerca in corso.

Già nel 2020, la comunità europea della fisica delle particelle ha pubblicato un aggiornamento della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle. In questo documento, si raccomandava al CERN di condurre uno studio di fattibilità per FCC, un gigantesco acceleratore che potrebbe diventare il successore del Large Hadron Collider (LHC). È stato anche sottolineato che “un piano dettagliato per la minimizzazione dell’impatto ambientale, il risparmio e il riutilizzo dell’energia dovrebbe far parte del processo di approvazione di qualsiasi grande progetto”.

In altre parole, la sostenibilità deve essere incorporata in ogni progetto di costruzione di grandi apparati sperimentali e infrastrutture di ricerca della fisica fondamentale. Questo principio è ormai condiviso e adottato dalla comunità scientifica nel suo insieme. Più in generale, il CERN si è impegnato affinché ogni nuovo progetto del Laboratorio sia un esempio di infrastruttura di ricerca sostenibile, integrando i principi dell’ecodesign in ogni fase del progetto, dalla progettazione alla costruzione, alle operazioni e allo smantellamento. Per approfondire questo tema potete visitare la pagina del Cern dedicata.

Lo studio di fattibilità per FCC è stato pubblicato lo scorso marzo e si compone di un rapporto in 3 volumi di cui il terzo è dedicato specificatamente a “Ingegneria civile, implementazione e sostenibilità.”

Lo studio prevede progetti per una nuova infrastruttura di ricerca che ospiterà la prossima generazione di acceleratori di particelle ad alte prestazioni per estendere la ricerca attualmente condotta al CERN consentendogli anche di mantenere la leadership nel settore. Il documento esplora diverse opzioni di acceleratori, combinate in un’unica infrastruttura di ricerca costituita da un tunnel sotterraneo di 90 km, in grado di offrire un programma di fisica solido e diversificato con un orizzonte che si estende oltre la fine del secolo.

La fattibilità ambientale di FCC viene analizzata valutando aspetti che vanno dalla preservazione della biodiversità al riutilizzo dei materiali estratti dagli scavi, studiando tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico e implementando soluzioni di energia rinnovabile. Lo studio affronta anche la questione del bilancio energetico del progetto lavorando da una parte, sull’efficientamento del sistema dei magneti superconduttori, e dall’altra esplorando nuovi scenari per la sostenibilità del consumo energetico puntando a un approvvigionamento energetico basato su un mix di fonti rinnovabili. L’INFN è coinvolto in FCC con una complessa attività di ricerca e sviluppo nell’ambito del rivelatore IDEA (Innovative Detector for Electron-positron Accelerator), ed anche attraverso lo studio delle infrastrutture da realizzare e il progetto dell’acceleratore leptonico.

Tunnel della miniera di Sos Enattos ©INFN, Marco Sallese

Tra i grandi progetti di ricerca del futuro in cui l’istituto ha un ruolo di leadership l’Einstein Telescope è forse il più suggestivo e ambizioso. ET è la grande infrastruttura di ricerca del futuro rivelatore di onde gravitazionali da realizzare in Europa, un progetto di impatto scientifico e tecnologico di livello mondiale, che l’Italia è candidata a ospitare in Sardegna nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos, nel nuorese. ET è ritenuto un progetto di punta a livello internazionale, tanto da essere incluso nella Roadmap di ESFRI 2021, ed è al tempo stesso una sfida scientifica, tecnologica e ingegneristica per gli aspetti che caratterizzano l’infrastruttura da realizzare. Un’opera ingegneristica avveniristica progettata fin dall’inizio nel rispetto dei principi della sostenibilità.

Il progetto prevede la costruzione di una grande infrastruttura sotterranea che ospiterà un rivelatore di onde gravitazionali tra i 100 e i 300 metri di profondità per preservarlo in condizioni di “silenzio”, isolandolo da tutte le fonti di rumore (sia di origine naturale sia antropica) che potrebbero interferire con le misurazioni. Il rivelatore sarà ospitato in un tunnel sotterraneo di più di sei metri di diametro, oltre a tre grandi caverne di circa 20 metri di altezza, connesse con infrastrutture di superficie.

La costruzione dell’Einstein Telescope durerà circa 10 anni e richiederà uno sforzo ingegneristico notevole, soprattutto perché sarà necessario adattare le tecniche di costruzione sotterranea agli obiettivi scientifici del progetto. Indipendentemente dalla scelta finale del sito e dalla configurazione dell’esperimento, ancora in fase di discussione, il progetto si baserà su principi di sostenibilità, con l’obiettivo di minimizzare l’impatto ambientale ed energetico dell’infrastruttura lungo tutto il suo ciclo di vita. Questo aspetto è fondamentale e sta già guidando le prime fasi di studio di ET, inserite nel contesto del progetto europeo ET-PP (Einstein Telescope Preparatory Phase), finanziato dalla Commissione Europea.

Una delle azioni più importanti di questa fase preparatoria è proprio la definizione di una strategia di sostenibilità a lungo termine per l’infrastruttura di ET. Questa strategia dovrà considerare tutti gli aspetti che possono influire sull’ambiente e sulla sostenibilità futura dell’installazione, a partire dalla gestione e dal trattamento del materiale di scavo, fino ad arrivare ad aspetti più immateriali, come l’impatto energetico dei centri di calcolo e delle strutture di supporto.

Delle principali sfide che l’Einstein Telescope dovrà affrontare per perseguire la sostenibilità del progetto si parla nell’intervista, pubblicata sul sito dell’Einstein Telescope Italia, a Maria Marsella, responsabile del gruppo di ingegneria civile dell’Einstein Telescope Organisation (ETO) e coordinatrice del Work Package 6 (dedicato alla progettazione sostenibile) del progetto PNRR ETIC, finanziato con fondi PNRR dal Ministero dell’Università e ricerca (MUR) e coordinato dall’INFN.

Un altro aspetto rilevante quando si parla di sostenibilità è rappresentato dagli strumenti di misura utili alle attività di monitoraggio e di controllo. In questo ambito L’INFN partecipa all’infrastruttura di ricerca Aerosol, Clouds and Trace Gases ACTRIS, un’iniziativa paneuropea che coordina le osservazioni e la ricerca scientifica europea su aerosol, nubi e gas in traccia. L’Istituto vi partecipa con: il LABEC (Laboratorio di tecniche nucleari per l’Ambiente e i Beni Culturali) della Sezione di Firenze e ChAMBRe (Chamber for Aerosol Modelling and Bio-aerosol Research) della Sezione di Genova. I due laboratori sono oggi sinergicamente inclusi nell’ERIC-ACTRIS, il LABEC ospitando il centro di riferimento europeo per la caratterizzazione elementale del particolato atmosferico, ChAMBRe come “national facility” specializzata nello studio della componente biologica e delle proprietà ottiche degli aerosol atmosferici, ovvero l’inquinante più elusivo, con impatti molto significativi sia sulla salute sia sui cambiamenti climatici. Al LABEC, campioni di particolato atmosferico vengono analizzati con fasci di ioni prodotti dall’acceleratore del laboratorio. Questa tecnica, detta Ion Beam Analysis (IBA), permette di conoscere la composizione elementale del particolato in modo rapido, non distruttivo e non invasivo. Insieme alle misure IBA, si eseguono anche analisi complementari per ricostruire, ad esempio, i fenomeni di trasporto del particolato o individuare le fonti da cui è stato prodotto. Le informazioni provenienti dalle diverse tecniche analitiche nucleari possono essere utilmente combinate e sintetizzate per ottenere indicazioni fondamentali sia per sviluppare efficaci politiche di abbattimento dell’inquinamento sia per comprendere i cambiamenti climatici.

Un tema emergente che sta diventando sempre più di attualità è la sostenibilità del calcolo ma anche, rovesciando la prospettiva, il calcolo per la sostenibilità.

Ma inquadriamo il contesto. Se da una parte i centri di calcolo stanno impiegando computer sempre più potenti che hanno un impatto energetico notevole e con previsioni di aumento costante della domanda di energia nei prossimi anni, dall’altra, proprio grazie al supercalcolo e all’intelligenza artificiale, possiamo fronteggiare sfide globali come le epidemie, la prevenzione delle malattie, gli impatti del cambiamento climatico e la protezione idrogeologia dell’ambiente e delle città in cui viviamo.

Centro Nazionale di Calcolo CNAF - INFN. ©INFN, Roberto Giacomelli

Come? grazie ai gemelli digitali, modelli virtuali molto sofisticati della realtà che riproducono un contesto reale in grande dettaglio, ad esempio un territorio, su cui far girare simulazioni che prevedono i possibili effetti di eventi naturali e non (ad esempio le esondazioni), grazie alle cui proiezioni definire interventi e strategie per minimizzare le conseguenze negative e prevenire e proteggere l’ambiente in cui viviamo. I gemelli digitali sono strumenti potentissimi e complessi che l’intelligenza artificiale ci offre, capaci di gestire la complessità e fare previsioni basate sui big data, strumenti impensabili senza la potenza di calcolo che oggi possiamo raggiungere. Infatti, se l’idea dell’Intelligenza artificiale nasce negli anni ’50, il machine learning negli anni 80, e negli anni 2000 il deep learning, l’AI diventa generativa, ovvero capace di generare dati nuovi, solo grazie ai supercomputer su cui vengono “addestrati” gli algoritmi.

Ma l’Intelligenza artificiale e il supercalcolo, pur rappresentando da una parte un supporto alla sostenibilità, dall’altro pongono essi stessi un problema di sostenibilità ambientale poiché sono estremamente energivori, ovvero consumano grandi quantità di energia. Si stima che i data centre per uso civile nel mondo abbiano consumato nel 2024 l’1,5% del consumo globale di elettricità con percentuali molto diverse tra le principali superpotenze: USA (45%), Cina (25%), Europa (15%) (fonte: International Energy Agency). E sappiamo che la crescita dell’IA avrà come conseguenza un’ulteriore esplosione della domanda di elettricità. Si prevede, infatti, che la spesa globale per l’AI generativa raggiungerà i 644 miliardi di dollari nel 2025, con un incremento del +76,4% rispetto all’anno precedente (Gartner, marzo 2025)). Un dato che rende subito evidente la crescente importanza di questo settore, come ribadito anche dalla presidente della commissione europea Ursula von der Leyen all’ultimo AI summit. Al tempo stesso è chiaro che i prossimi investimenti in questo settore dovranno incorporare il requisito della sostenibilità del calcolo fin dalla progettazione e le comunità scientifiche si stanno adeguando.

In Europa è attivo il progetto Euro Hpc Undertaking nato con l’obiettivo di dotare la comunità europea di computer HPC, e grazie a cui sono stati finanziati tre grandi supercomputer, tra i dieci più potenti al mondo per uso civile: Leonardo in Italia, al Tecnopolo Dama di Bologna, Marenostrum5 in Spagna e Lumi in Finlandia. Il nostro paese ha visto un investimento di circa 5 miliardi di fondi europei sul calcolo e l’Italia è il terzo paese al mondo per potenza di calcolo stimata su macchine per uso civile (segue gli USA al primo posto e il Giappone al secondo).

Per affrontare il problema della sostenibilità del calcolo scientifico l’Europa ha finanziato, nell’ambito del programma Horizon Europe, il progetto SPECTRUM Sappiamo che la quantità di dati raccolti, condivisi ed elaborati nella ricerca di frontiera è destinata ad aumentare rapidamente nel prossimo decennio, portando a esigenze senza precedenti di elaborazione, simulazione e analisi dei dati. In particolare, la fisica delle particelle e la radioastronomia stanno preparando strumenti rivoluzionari, che richiederanno infrastrutture di calcolo con capacità molto maggiori rispetto alle attuali. In questo contesto, il compito di SPECTRUM sarà proprio formulare una Strategia di Ricerca, Innovazione e Implementazione (SRIDA) che delinei soluzioni sostenibili, sia finanziariamente, sia dal punto di vista dell’impatto ambientale. SPECTRUM riunisce i principali attori del calcolo scientifico e i più grandi centri di calcolo europei. l’Italia partecipa con l’INFN e il Cineca,che saranno supportati dall’infrastruttura di calcolo di ICSC, il Centro Nazionale di Ricerca in HPC, Big Data e Quantum Computing.

Cavo superconduttore ad alta temperatura per il trasporto di energia

Sempre in tema di ricerca e sostenibilità, un altro fronte su cui l’INFN è impegnato è quello dello sviluppo di tecnologie per l’efficientamento energetico a partire da tecnologie inizialmente realizzate per la ricerca in fisica delle particelle. È questo il caso del progetto IRIS (Innovative Research Infrastructure on applied Superconductivity) finanziato con fondi PNRR della Missione 4 coordinata dal MUR, in cui INFN e ASG Superconductors lavorano alla realizzazione di un cavo superconduttivo da 1gw per il trasporto di energia senza dispersione e a ridotta impronta ecologica. Lo scopo di IRIS è la realizzazione di un’infrastruttura distribuita su tutto il territorio nazionale in grado, tra le altre cose, di sviluppare tecnologie innovative per la sostenibilità ambientale adatte per il trasporto di grandi potenze elettriche e dunque anche a sviluppi industriali orientati al risparmio energetico. Si tratta di tecnologie superconduttive a più alta temperatura rispetto a quelle convenzionali, e a più alto campo magnetico.

Queste tecnologie trovano impiego sia nella ricerca fondamentale, per costruire i magneti degli acceleratori di particelle di prossima generazione, sia in altri ambiti, come quello energetico, dove possono essere utilizzate per realizzare cavi ad alta potenza per il trasporto sostenibile, senza dissipazione di energia sotto forma di calore. Per il raggiungimento di questo obiettivo, IRIS sta lavorando a un prototipo di un cavo fatto di un innovativo materiale superconduttivo ad alta temperatura, il di-boruro di magnesio (MgB2), e un’infrastruttura per validare questa e altre soluzioni tecnologiche, introducendo degli standard (ISO, IEEE, IEC ecc.) fondamentali per l’ingresso e la diffusione delle nuove tecnologie nella società. Utilizzare per il trasporto dell’elettricità cavi basati sulla tecnologia che il progetto IRIS sta sviluppando potrebbe ridurre di un fattore cinque le perdite dovute a dissipazione e dispersione rispetto alle linee tradizionali. IRIS è un progetto a guida INFN in collaborazione con il CNR-SPIN, l’Università Statale di Milano, l’Università Genova, l’Università Federico II di Napoli, l’Università del Salento e l’Università di Salerno. Il progetto per lo sviluppo del cavo di IRIS ha un valore di oltre 12 milioni di euro e sarà realizzato entro il 2025.

Il risparmio energetico rimane dunque uno punto chiave per la sostenibilità e per il futuro della ricerca e il progresso della società. All’INFN sono in corso interventi su edifici ed impianti, per aumentare l’utilizzo di energia rinnovabile e ridurre i consumi come, ad esempio, l’installazione del primo grande impianto fotovoltaico dell’ente ai Laboratori Nazionali di Frascati. Questo impianto, con una potenza di picco di 1,1 MW, sarà installato su 15 edifici e contribuirà a coprire il 10% del consumo di energia elettrica delle attività di base dei LNF. La realizzazione di questa opera è stata possibile utilizzando lo strumento del partenariato pubblico-privato e un finanziamento del MUR tramite il Programma Nazionale per la Ricerca (PNR), per la parte a carico dell’ente.

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