SKY ARROW RPGN: un velivolo strumentato per lo studio della qualità dell’aria

1. Unità Campionamento VOC-PAH Crate Elettronica NaI Unita di Campionamento Isocinetico HPGe SKY ARROW RPGN: un velivolo strumentato per lo studio della qualità dell’aria D. Castelluccio1, S. Chiavarini2, E. Cisbani1, G. Colangeli3, U. Delprato4, R. Fratoni1, S. Frullani1, S. Fuselli5, M. Gaddini6, F. Giuliani1, C. Marchiori7, A. Marconi5, A. Mostarda1, L. Paoletti1, G. Paoloni7, E. Pianese6, L. Pierangeli1, P. Veneroni1, G. Viviano5 1Dipartimento Tecnologie e Salute, Istituto Superiore di Sanità, Viale Regina Elena 299, 00161 Roma 2Centro Ricerche della Casaccia, ENEA, 00060-S. Maria di Galeria-Roma 3Iniziative Industriali Italiane S.p.A., Viale Gorizia 6, 00198-Rome, Italy 4IES Solutions srl, Via del Babuino 99, 00187- Rome, Italy 5Dipartimento Ambiente e Connessa Prevenzione Primaria, Istituto Superiore di Sanità, Viale Regina Elena 299, 00161 Roma 6Direzione Centrale per l’Emergenza ed il Soccorso Tecnico, Piazza Scilla 2, 00178-Roma 7Dipartimento di Meccanica e Aeronautica, Facoltà di Ingegneria, Università di Roma “La Sapienza”, Via Eudossiana 18, 00184 Roma 1.Introduzione La contaminazione al suolo seguita all’incidente di Chernobyl ha interessato tutta l’Europa. A causa della vastità del territorio contaminato sono stati utilizzati sistemi convenzionali di monitoraggio radioattivo montati su velivoli (aerei ed elicotteri). Al fine di ottenere misure quantitative sulla contaminazione, in particolare in presenza di nubi contaminate, l’Istituto Superiore di Sanità ha messo a punto un sistema dedicato, lo ‘Sniffer’, per campionamento in nube e analisi spettrale del particolato radioattivo. Inoltre, nell’ambito di un progetto mirante a studiare l’inquinamento urbano è stato progettato e integrato al precedente, in collaborazione con il Ministero dell’Ambiente, un sistema per il campionamento dei PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) e dei VOC (Volatile Organic Compounds) ed un programma di analisi per la caratterizzazione del particolato campionato dallo ‘Sniffer’. Tale progetto permetterà, per la prima volta, la raccolta di dati in quota ad altezze relativamente basse anche al fine di comprendere il meccanismo di diffusione degli inquinanti. L’intero sistema è stato installato all’interno di un velivolo Sky Arrow 650 della 3I opportunamente adattato. 2. Lo Sky Arrow 650 Il velivolo sul quale è installato il sistema ‘Sniffer’ è lo Sky Arrow 650 prodotto da 3I Iniziative Industriali Italiane S.p.a di Roma. La nuova versione andrà a completare la gamma dei velivoli per impieghi speciali, RAWAS (Remotely Assisted Working Aerial System) ed ERA ( Environmental Research Aircraft), già operanti in Europa ed in Nord America. È un velivolo che permette il rimodellamento della prua della fusoliera senza necessità di intervento sugli elementi strutturali ed appartiene alla categoria di velivoli detti STOL (Short Take Off and Landing Aircraft), cioè in grado di effettuare le operazioni di decollo ed atterraggio in poche centinaia di metri e di volare in sicurezza a bassa quota e velocità estremamente ridotte (tra gli 80 km/h ed i 195 km/h, ovvero ≈43 knots e ≈105 knots). Ha una capacità massima di carico di 250 kg. L’autonomia di volo è intorno alle 4 ore. È facilmente trasportabile a terra. 3. Il sistema ‘Sniffer’ • Il sistema di campionamento e misura chiamato ‘Sniffer’ è costituita dalle seguenti componenti principali: • Unità di campionamento in isocinetismo; • Unità di misura di radioattività; • Unità di campionamento VOC-PAH; • Elettronica di gestione e controllo. 3.1 Unità di campionamento isocinetico L’Unità è collocata nella parte anteriore del velivolo che è stata opportunamente modificata per il suo corretto alloggiamento. Essa è essenzialmente una linea di aspirazione controllata, lungo la quale sono disposti i filtri di campionamento del particolato atmosferico; suoi componenti principali sono: La sonda (probe): un cilindro lungo 450 mm con ugello di ingresso di 5.3 mm di diametro; Lo Shutter: la valvola di chiusura della linea di aspirazione; I filtri di campionamento ed i dischi portafiltri; L’Holder: un piccolo contenitore movibile che incorpora il contatore Geiger ed un piccolo cristallo BGO con relativo fotodiodo; La valvola di regolazione della portata, che assicura l’isocinetismo del campionamento. • 3.2 Unità di campionamento VOC-PAH • L’unità trova alloggio sul retro dell’aeromobile, alle spalle del pilota. Essa fondamentalmente si compone di due gruppi che campionano l’aria captata attraverso una presa posta sul cassone alare: • il gruppo Canister che permette il campionamento dei VOC; esso è un contenitore di acciaio INOX, con superficie interna trattata per contenere composti organici polari, e dotato di una valvola movimentata dal gestore del sistema e da un limitatore di flusso. • il gruppo Sampler, studiato specificatamente per il campionamento dei PAH; il flusso in ingresso viene convogliato sui filtri attraverso un sistema di deflettori a spirale logaritmica (mostrate in figura) che garantiscono un flusso uniforme e radiale sulle superfici dei filtri. Il problema dell’isocinetismo Un prelievo di campioni effettuato direttamente in nube attraverso l’utilizzo del probe, deve essere condotto secondo precisi criteri che consentano di essere confidenti in merito alla rappresentatività e significatività del campione raccolto sul supporto di filtrazione. Nel caso specifico, è necessario soddisfare le condizioni di isocinetismo, cioè, fare in modo che il flusso di aspirazione sia tale che la velocità dell’aria alla sezione d’ingresso dell’ugello della sonda che provvede al campionamento sia uguale a quella dell’effluente, ossia alla velocità del fluido che scorre esternamente alla sonda. Inoltre, l’avanzamento della sonda in aria non deve causare distorsione delle linee di flusso nelle immediate vicinanze dell’ugello di ingresso dell’aria nella sonda. L’effettuazione di un campionamento non isocinetico determina una distorsione della distribuzione delle dimensioni delle polveri del campione ed una errata valutazione della concentrazione. Nel caso di un prelievo effettuato per mezzo di un sistema installato su di un aeromobile, è la velocità di quest’ultimo a rappresentare il riferimento per la sezione preposta all’aspirazione del campione, essendo, comunque, la velocità relativa dell’effluente a dover essere inseguita attraverso l’effettuazione di una regolazione continua della portata aspirata. Agli effetti pratici, cioè, occorre adeguare continuamente nel corso della sessione di campionamento la velocità di ingresso del campione a quella relativa dell’aria esterna effettuando una regolazione della portata aspirata in funzione del dato di velocità proveniente da sensori posti nell’ambiente in cui viene effettuato il campionamento. Sezione del Sampler con profili dei deflettori

2. 3.3 Unità di misura di radioattività L’Unità di misura è costituita da: Un piccolo contatore Geiger ed un piccolo cristallo BGO contenuti nel corpo dell’Holder; questi due rivelatori provvedono una stima preliminare on-line del contenuto di radioattività beta e gamma. Un rivelatore HPGe (Germanio Iperpuro) che permette di effettuare una spettrometria gamma ad alta risoluzione del campione raccolto sul supporto di filtrazione; questo rivelatore opera alla temperatura dell’azoto liquido, il cui serbatoio è alloggiato all’esterno del velivolo. Un rivelatore gamma con cristallo NaI di notevoli dimensioni (400x100x100 mm3) che trova alloggio sul retro del velivolo, alle spalle del pilota. Un ricevitore GPS permette infine di geo-localizzare i dati acquisiti e di generare una mappa di contaminazione. Spettro 60Co con HpGe Geiger BGO Rivelatore NaI Spettro 60Co con NaI 3.4 Elettronica di gestione e controllo L’unità è preposta all’acquisizione dei segnali provenienti dai sensori e dai rivelatori ed al controllo degli stessi attraverso opportuni attuatori. Essa trova alloggio all’interno di un crate portaschede collocato all’interno del vano musetto del velivolo ed è costituita da: • due CPU (MESA 4C60 e 4C28 prodotte da Mesa Electronics U.S.A) 386-compatibili in standard PC104 in comunicazione tra loro via porta parallela mediante un collegamento di tipo laplink. Sia la 4C60 che la 4C28 sono dotate di una scheda Compact Flash da 2 Gbyte, che funzionano in modalità ATA, su cui sono presenti i software di gestione e su cui vengono memorizzati i dati acquisiti; poiché la 4C28 è priva di interfaccia video, il suo stato viene trasmesso attraverso la connessione parallela alla 4C60 che provvede a visualizzarlo su un piccolo monitor posto di fronte al pilota; • una scheda formato PC104 con una serie di DAC (DM121 prodotta da DMA-Marchiori [4.2]) preposti al controllo della valvola di regolazione della portata; • una scheda (Mesa 4I22 prodotta da Mesa Electronics U.S.A) in formato PC104 per l’input/output di segnali digitali TTL, provenienti dai vari sensori presenti nel sistema. La scheda, inoltre, è preposta alla regolazione dell’alta tensione del Geiger; • una scheda custom per la distribuzione delle tensioni di alimentazione (Scheda Alimentazioni); • una scheda custom perl’appropriata conversione dei segnali provenienti dai sensori e di quelli richiesti dagli attuatori (Scheda Servizi); • una scheda custom per la generazione dell’alta tensione necessaria al Geiger; • una scheda custom per la generazione delle tensioni negative necessarie ad alcuni apparati del sistema “Sniffer” e la polarizzazione dei diodi utilizzati come sensori di temperatura; • un gruppo relay di controllo delle valvole del canister e del Sampler Il software di gestione è stato scritto in Turbo Pascal • 4 Analisi dei dati acquisiti • Al termine della missione sono previste le seguenti analisi, volte alla determinazione quantitativa della contaminazione in atmosfera e al suolo e dell’inquinamento atmosferico: • Nucleare: analisi degli spettri acquisiti con rivelatori HpGe e NaI; stima quantitativa della contaminazione dalle misure degli spettri e dai conteggi del Geiger e del BGO. • Particolato: analisi gravimetrica su filtri: pesatura prima e dopo la missione per valutare la massa raccolta; microscopica sul deposito nei filtri, con microscopio a scansione per caratterizzare la morfologia del particolato e sulla struttura chimica • Gascromatografia dei gas immagazzinati nel Canister • Chimica dell’estratto dei filtri del Sampler 5 Conclusioni e prospettive Nei mesi scorsi sono stati effettuati con successo i test per la certificazione ENAC; non appena questa sarà rilasciata si provvederà all’effettuazioni di missioni per mettere a punto tutte le funzionalità del sistema Sniffer. Inizieranno poi le campagne di misura con raccolta dati a varie quote e sorvolando aree a differenti livelli di antropizzazione. Si sta nel frattempo valutando la possibilità di avere disponibili a terra on-line i dati acquisiti (ora memorizzati nelle memorie FLASH delle due CPU) attraverso comunicazione radio. Tale sistema può essere utilizzato per la determinazione della contaminazione in nube in caso di incidente nucleare ed è l’unico, a livello internazionale, con tale caratteristica.