IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR

Damiano Musella
Ministero delle Comunicazioni - Istituto Superiore C.T.I.
IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE
EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM
Riassunto: i campi elettrici, magnetici
ed elettromagnetici interagiscono con il corpo umano e con altri sistemi biologici secondo alcuni fenomeni fisici. La popolazione è continuamente esposta a tali campi emessi da una
moltitudine di sorgenti di diversa natura che
utilizzano l’energia elettromagnetica in varia
misura e compresa in un largo spettro di frequenze. Ne consegue la necessità di studiare i
possibili rischi per la salute umana e le
contromisure adottabili.
L’Italia, soprattutto negli ultimi anni, si è dimostrata particolarmente sensibile al problema dell’inquinamento EM.
Il Ministero dell’ambiente, con il decreto 381/
98 ha definito i limiti di esposizione e gli obiettivi di qualità dei sistemi di telecomunicazione.
Al Senato è in discussione una nuova legge
quadro nazionale mirante al riordino della
materia.
Sul piano scientifico è recentemente partito un
nuovo progetto nazionale di ricerca sulla salvaguardia dell’uomo e dell’ambiente dalle
emissioni elettromagnetiche, denominato “Progetto 5%”.
Questo lavoro si prefigge l’obiettivo di fare una
panoramica sul Progetto 5%.
Abstract: electric, magnetic and
electromagnetic fields interact with the human
body and other biological systems through a
number of physical mechanisms. People are
continually exposed to electric and magnetic
fields arising from a wide variety of sources
that use electrical energy at various
frequencies and levels. At the same time, a
great deal of speculation and research has
occurred concerning possible health risks
arising from exposure to electric and
magnetic fields and to take the appropriate
steps.
Especially in the latest years, Italy has been
very careful in the electromagnetic pollution
problem.
The Italian Environment Ministry has enacted
the decree 381/98 on safety in electromagnetic
fields (exposure limits and quality targets)
related to communication systems.
The Italian Senate is discussing about a new
framework law to reorganize all the subject.
On the scientific level a new project of
research, called “Project 5%”, on the
protection of the human being and
environment has been planned.
This paper offers an overview on Project 5%.
1. Introduzione
Lo sviluppo esplosivo delle telecomunicazioni (nel seguito tlc) degli ultimi anni, favorito dalla
disponibilità di tutta una serie di nuovi servizi e
dal processo di liberalizzazione del settore (col
conseguente ingresso nel mercato di piccoli e grandi operatori), ha posto in primo piano due ordini
di problemi apparentemente disgiunti ma in realtà
intimamente connessi:
La Comunicazione - numero unico 2000
·l’inquinamento elettromagnetico (nel seguito EM) e quindi l’esigenza (prioritaria!) della protezione sanitaria dell’uomo e la salvaguardia dell’ambiente
·la necessità, vitale per lo sviluppo stesso
delle tlc (specie per le comunicazioni wireless e
mobili), di ricercare tecniche adeguate a superare
i limiti imposti dall’ampiezza delle bande di fre-
11
NOTE
ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
Damiano Musella
quenza disponibili, in quanto i canali di trasmissione sono sempre più affollati e i nuovi servizi
richiedono bande di frequenza sempre più larghe.
NOTE
In effetti, l’inquinamento EM rappresenta un
problema estremamente complesso per una varietà di motivi, uno dei quali è il fatto che le tecnologie elettromagnetiche trovano applicazione
in svariati campi (industriale, civile, ospedaliero,
trasporti, ecc.), oltre che in quello strettamente
legato alle tlc. A ciò si aggiunge il fatto che i
dispositivi elettronici diventano sempre più comuni.
I processi produttivi industriali fanno largo
uso di macchine per il riscaldamento,
l’essiccamento e l’incollaggio (soprattutto di carta, legno e tessuti; ma, i primi due processi riguardano anche il trattamento dei cibi precotti, ecc.),
nonché di apparati per la lavorazione (fusione,
tempera e saldatura) dei materiali metallici e non,
oltre che di forni a induzione e a microonde.
In campo civile e soprattutto nell’ambiente
cosiddetto indoor (casa o ambiente di lavoro) gli
elettrodomestici (lavatrici, lavastoviglie, macchine per la pulizia, asciugacapelli, computer, radio
e TV, cucine e stufe a induzione, forni a
microonde, sistemi antifurto, ecc.) giocano un
ruolo molto importante perché la loro diffusione
è capillare e perché sono in continuo aumento
(oggi lo spazzolino da denti elettrico sta diventando comune come il rasoio elettrico). Né vanno
trascurati i sistemi per la sorveglianza elettronica
(EAS - Electronic Article Surveillance) in uso in
moltissimi negozi (librerie, boutique, ecc.) e grandi
complessi commerciali allo scopo di prevenire il
furto della merce esposta.
Alcune apparecchiature elettromedicali generanti intensi campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici trovano molteplici applicazioni sia
di tipo diagnostico, come gli apparati per la rivelazione dei tumori (risonanza magnetica nucleare), che di tipo terapeutico come gli apparati per
la fisioterapia (marconiterapia e radarterapia) o la
terapia dei tumori e addirittura in chirurgia
12
(elettrobisturi, ecc.).
Allorché si parla di inquinamento EM, uno
degli argomenti più discussi riguarda la produzione, il trasporto e la distribuzione dell’energia
elettrica, essendo i campi in bassa frequenza quelli
ritenuti più nocivi per la salute da molti ricercatori; inoltre, le loro infrastrutture spesso deturpano
il paesaggio. Peraltro, il consumo di energia elettrica tende ad aumentare con l’introduzione di
nuove e sofisticate apparecchiature elettriche, sia
in campo industriale che domestico: negli ultimi
tempi la società Enel ha offerto alle famiglie l’aumento della potenza dai canonici 3 kW a potenze
superiori a prezzi molto vantaggiosi rispetto al
passato.
Una problematica simile è costituita dai trasporti ed in particolare dai treni ad alta velocità.
Agli apparati suddetti si aggiungono le
apparecchiature per radio e telecomunicazione
che hanno la particolarità di “dovere” inquinare
l’ambiente circostante (sistemi diffusivi) o una sua
parte più o meno circoscritta (sistemi direttivi).
Infatti, contrariamente a quanto avviene per un
trasformatore, una macchina elettrica, un forno,
che vanno progettati in modo da ridurre al minimo il flusso disperso, un apparato trasmittente
viene progettato col preciso scopo di inviare fuori dell’apparecchiatura stessa l’energia EM da essa
generata. Da qui la necessità di uno studio
esaustivo dei problemi connessi alla diffusione
ed alle interazioni dei campi elettromagnetici (nel
seguito CEM) in campo aperto e soprattutto nei
grandi centri urbani.
Tuttavia, è bene considerare che i possibili
effetti nocivi sulla salute degli esseri umani (e
degli esseri viventi in generale) possono essere
conseguenti anche a problemi di compatibilità
elettromagnetica, oltre che a problemi di impatto
ambientale diretto. A tale proposito alcune aree,
come ospedali ed aeroporti, sono particolarmente a rischio in quanto alcuni strumenti e sistemi
ivi utilizzati (es. l’elettroencefalografo, in uso negli
ospedali per registrare i segnali dovuti all’attività
elettrica del cervello, i sistemi di controllo a bor-
La Comunicazione - numero unico 2000
IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
In questo complesso contesto la comunità
scientifica internazionale, sollecitata anche dalle
associazioni ambientaliste, da biologi e perfino
dall’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità), si è assunto il compito di investigare sui possibili rischi sanitari conseguenti all’esposizione
della popolazione ai campi elettrici, magnetici ed
elettromagnetici, nonché ricercare modi e mezzi
per minimizzare l’esposizione della popolazione
(preservando soprattutto gli ambienti ove si soggiorna per molto tempo). A loro volta (anche partendo dai risultati conseguiti dai vari centri di ricerca) gli istituti di normazione preposti, sia tecnici (ICNIRP, IEC, CENELEC, CEI) che amministrativi (organi comunitari e Ministeri nazionali
competenti), definiscono dei limiti di esposizione
e degli obiettivi di qualità (di cui il decreto 381/
98 del Ministero dell’ambiente è un esempio).
L’Italia, soprattutto negli ultimi anni, si è dimostrata particolarmente sensibile al problema dell’inquinamento EM: rappresentanti del
Sottocomitato Tecnico CEI 211 B “Esposizione
umana ai campi elettromagnetici ad alta frequenza”, partecipano attivamente alle riunioni internazionali in ambito CENELEC e, alla fine del ’99,
sono riusciti a produrre una guida in tempi molto
stretti (“Guida per la misura e per la valutazione
di campi elettromagnetici nell’intervallo di frequenza compresa tra 10 kHz e 300 GHz”) avente
lo scopo di aggiornare la vecchia normativa, allineandola con i nuovi studi condotti in ambito IEC
TC 85 - WG 15. E’ noto, inoltre, che al Senato è
in discussione una legge quadro nazionale mirante
al riordino della materia. Tuttavia, l’avvenimento
più importante dal punto di vista scientifico è stato senza dubbio la decisione del MURST di approvare, sul finire del ’99, un articolato programma di ricerca ad hoc, frutto di un accordo tra CNR
La Comunicazione - numero unico 2000
ed ENEA, denominato “Progetto 5%”, presentato nelle sue linee essenziali il 6 giugno 2000 nella Sala Convegni del CNR di Roma.
2. Il progetto nazionale di ricerca
MURST /CNR-ENEA “Salvaguardia
dell’uomo e dell’ambiente dalle emissioni
elettromagnetiche”
Il Progetto, partito nell’89 con lo studio di
prefattibilità, era inizialmente orientato alla compatibilità elettromagnetica negli apparati e nei sistemi elettrici ed elettronici e prevedeva un
sottoprogetto sull’inquinamento EM dell’ambiente, ossia proprio il tema da cui si è sviluppato questo programma nazionale. Lo sviluppo delle tlc
dell’ultimo decennio ed il conseguente aumento
dell’interesse per i possibili effetti negativi delle
radiazioni non ionizzanti sulla salute dell’uomo
ha orientato il progetto verso la nuova direzione.
Il CNST (Consiglio Nazionale della Scienza e
della Tecnologia) nella seduta del 29 ottobre ’97
individuò nel tema “Salvaguardia dell’uomo e
dell’ambiente dalle emissioni elettromagnetiche”
un settore avanzato e di rilevante interesse per lo
sviluppo del sistema nazionale della ricerca, anche in considerazione del fatto che lo studio era
volto ad accrescere le conoscenze tecnologiche
(e quindi lo sviluppo produttivo) delle imprese,
tant’è che prevede la partecipazione congiunta e
bilanciata di imprese, università ed enti di ricerca
pubblici e privati.
Il programma viene inizialmente finanziato
con i fondi previsti dalla legge 95/95 che, oltre a
fare riferimento a misure straordinarie per la promozione e lo sviluppo della imprenditorialità giovanile nel Mezzogiorno (nei territori oggetto degli obiettivi 1, 2 e 5b di cui al regolamento CEE
n. 2081/93 relativo alle missioni dei Fondi a finalità strutturale), all’art. 3 considera la Ricerca applicata. Per il periodo ‘95-’97 il MURST può promuovere iniziative in comune tra imprese, università e centri di ricerca pubblici e privati in settori di rilevante interesse per lo sviluppo del sistema della ricerca nazionale utilizzando il 5% degli stanziamenti di bilancio in favore del CNR,
13
NOTE
do degli aerei e le loro comunicazioni con la torre
di controllo) sono particolarmente sensibili ai CEM
esterni per cui vanno protetti da possibili accoppiamenti e conseguenti interferenze EM (la compatibilità elettromagnetica si occupa proprio della
coesistenza operativa di apparecchiature e sistemi elettrici ed elettronici nel proprio ambiente
EM).
NOTE
Damiano Musella
dell’ENEA, dell’INFN e del Fondo speciale per
la ricerca applicata (legge 25/10/68, n.1089, art.4
e legge 17/2/82, n. 46 relativa agli Interventi per i
settori dell’economia di rilevanza nazionale). Successivamente, il MURST, con decreto del 16 dicembre ’97, stabilisce l’ammontare della quota di
intervento finanziario destinata allo svolgimento
del progetto e invita CNR ed ENEA a presentare
le proposte.
In definitiva, il programma di ricerca nasce
da un accordo di programma tra CNR, ENEA e
MURST (definito dal Prof. Bernardi come “la madre di tutti gli accordi” nella presentazione del Progetto), prevede un finanziamento di 9 miliardi
(50% CNR e 50% ENEA), una durata di 3 anni e
la partecipazione di ben 59 unità operative appartenenti ad enti pubblici e poli industriali. Vi
partecipano università (Roma 1, Roma 2, Roma
3, Firenze, Bologna, Ancona, l’Aquila, Trieste, il
Politecnico di Torino e Istituto Universitario Navale
di
Napoli),
l’ICEMB
(Centro
interuniversitario sull’interazione tra CEM e sistemi biologici) di Roma, Bologna e Genova, organismi del CNR (IROE, IRECE, IMS, ITBA,
CESPA, CSITE, CSIB, GNRETE, l’Ufficio Sicurezza e Prevenzione), alcuni dipartimenti dell’ENEA (Ambiente, Innovazione e il Progetto
interdipartimentale HPCN), l’IENGF di Torino,
l’ISS (il Laboratorio Ultrastrutture e l’Ospedale
Regina Elena di Roma), alcune ARPA (Piemonte
e Toscana), l’IRST di Trento e almeno otto organismi privati (Fondazioni Bordoni e Guglielmo
Marconi, CSELT, TESEO di Torino, PMM di Milano, Centro Ricerche FIAT, IDS di Pisa, SORIN,
ALCATEL CAVI).
3. Obiettivi della ricerca
Per raggiungere il massimo risultato possibile nella lotta all’inquinamento EM e quindi alla
salvaguardia dell’uomo e dell’ambiente il Programma di ricerca tratta tutti gli aspetti della
problematica inerente i CEM (ossia l’impatto ambientale in bassa e alta frequenza, il monitoraggio
dei livelli di campo nelle zone di interesse,
l’interazione dei CEM con il corpo umano, le possibili misure protezionistiche ed il risanamento)
con parità di trattamento dei vari argomenti, fornendo una visione generale unitaria. Pertanto, si
è pensato di procedere sulla falsariga di quattro
14
direttrici:
1) Valutazione dell’impatto ambientale delle
principali sorgenti di CEM in strutture complesse
e diffuse, come quartieri urbani, siti aeroportuali,
sistemi di trasporto (sviluppo dell’alta velocità),
siti centralizzati di teleradiodiffusione (anche in
relazione allo sviluppo dei nuovi sistemi di comunicazione come l’UMTS – Universal Mobile
Telecommunication System – la terza generazione di telefonia cellulare). Monitoraggio dell’andamento dei CEM negli ambienti di interesse in
conseguenza dell’introduzione di nuovi sistemi
(es. quelli della telefonia cellulare). Dare risposta
a quesiti del tipo: è opportuno utilizzare siti centralizzati affiancando i nuovi sistemi a quelli
preesistenti?
2) Sviluppo della strumentazione e delle tecniche di misura per il controllo e il monitoraggio
dell’impatto ambientale e collegamento in rete per
la gestione dati. La raccolta dati è importante per
consentire una corretta pianificazione territoriale
a coloro che ad essa sono preposti (chi rilascia le
autorizzazioni per i nuovi siti).
3) Approfondimento delle conoscenze degli
effetti biologici dei CEM. Questa linea di ricerca
tratta il tema più delicato e controverso per cui si
propone: a) di eseguire esperimenti impostati e
condotti in modo da essere riproducibili e b) di
essere in stretto collegamento con quanto viene
sviluppato dall’OMS.
4) Sviluppo di tecniche di protezione realizzate con l’impiego di dispositivi attivi e passivi,
nuovi materiali a bassa emissione e soprattutto
criteri di progettazione e tecniche costruttive
innovative che tengano conto dell’esigenza di un
basso impatto ambientale (es. le antenne intelligenti per i sistemi di comunicazione mobile).
Risanamento dei vecchi impianti tecnologici.
4. Articolazione della ricerca
La ricerca è organizzata per linee e temi; ogni
tema è poi costituito da più sottotemi, ciascuno
dei quali tratta uno specifico aspetto del problema da risolvere e a cui partecipano una o più unità operative.
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IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
Essenzialmente vi sono quattro linee di ricerca, che corrispondono alle quattro direttrici
suddette, più una linea di coordinamento.
Linea di ricerca 1
Caratterizzazione e modellistica dei campi
elettromagnetici e delle sorgenti di campo
Temi:
1.1 Realizzazione dell’architettura generale
del codice integrato di simulazione della propagazione di onde elettromagnetiche
1.2 Modulo solutore FDTD, Ray-Tracing 3D
e tecniche ibride. Caratterizzazione di sorgenti
canoniche ad alta frequenza
1.3 Realizzazione di librerie di mappe
tematiche dei livelli di CEM in aree urbane
1.4 Caratterizzazione elettromagnetica dell’ambiente in presenza di sorgenti complesse e distribuite
Questa linea di ricerca ha lo scopo principale di sviluppare un sistema informatico capace di
realizzare dei modelli atti a simulare le varie
tipologie di problemi EM nel modo più vicino
possibile a quanto avviene nella realtà. Si tratta,
quindi, da un lato di riprodurre al calcolatore i
vari tipi di sorgenti di CEM (antenne, ecc.) e i fenomeni di propagazione e di interazione in domi-
ni piuttosto ampi e complessi (spazi urbani, siti
aeroportuali, mezzi di trasporto a trazione elettrica, siti centralizzati di impianti di
teleradiodiffusione) e dall’altro di calcolare i livelli di CEM risultanti nei suddetti ambienti alle
frequenze di interesse emessi dalle suddette sorgenti.
Si tratta, quindi, di rappresentare l’impatto
ambientale dei CEM prodotti da apparati e sistemi mediante modelli analitici e numerici, che poi
potranno essere utilizzati per prevedere i livelli di
campo che verranno prodotti dai sistemi in via di
sviluppo o per predire i livelli di campo prodotti
all’atto dell’installazione dei nuovi apparati in
volumi di spazio anche complessi. Ciò allo scopo di progettare e realizzare impianti tecnologici
di elevata qualità (secondo i criteri esposti nel Decreto del Ministero dell’ambiente 381/98), nonchè
scegliere siti sicuri per la popolazione
minimizzandone l’esposizione.
La modellazione dei vari tipi di antenne (o
altre sorgenti di CEM) e dei fenomeni di propagazione e di interazione richiede l’utilizzo di determinati codici di calcolo, già esistenti o da realizzare ad hoc per il particolare diffusore o ambiente. In effetti, oltre alla necessità di disporre di
codici di calcolo per la previsione dei livelli di
CEM in ambienti complessi si avverte la necessità di avere a disposizione uno strumento che con-
PROBLEMA
• Individuazione dei fattori essenziali (variabili primarie) del problema
• Definizione delle relazioni tra le variabili primarie e delle loro interazioni con l’ambiente esterno
• Costruzione di un idoneo
MODELLO
Determinazione di un metodo di risoluzione e costruzione di un efficiente
ALGORITMO
Codifica dell’algoritmo in un adeguato linguaggio di programmazione
PROGRAMMA DI CALCOLO
Schema a blocchi per lo studio di un generico problema con l’aiuto del computer.
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15
NOTE
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
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AEROFOTOGRAMMETRIA
CAD ARCHITETTONICO
ED ELETTRONICO
MAPPE CATASTALI
MODULO DI ACQUISIZIONE ED
ELABORAZIONE DI DATI
IN INGRESSO
(PRE-PROCESSING)
DATI DA SATELLITE
DATI NMR
MODULO DI GESTIONE DELLE
ARCHITETTURE DI CALCOLO
MoM
FOTO
RAY-TRACING
MODULO DI GESTIONE DEI
SOLUTORI DELLE EQUAZIONI
DI MAXWELL
INTERFACCE
STANDARD
FEM
TECNICHE IBRIDE
MODULO DI ELABORAZIONE E
VISUALIZZAZIONE DI DATI
IN USCITA
(POST-PROCESSING)
NOTE
PS
GIF
ANIMAZIONE
CAD
Schema a blocchi del codice integrato (tratto dal Programma di ricerca “Salvaguardia dell’uomo e dell’ambiente dalle emissioni
elettromagnetiche” CNR-ENEA)
senta di gestire con facilità i numerosi codici di
calcolo esistenti. Pertanto, l’obiettivo più generale non è quello di realizzare un semplice codice
di calcolo, bensì di sviluppare un codice integrato, ossia uno strumento informatico (detto
framework) avente una struttura modulare aperta
in modo da permettere a coloro che ne
usufruiranno di potervi integrare (oltre che aggiornare e modificare) tutte le metodologie di
modellazione e simulazione dei CEM che vengono ritenute interessanti e soprattutto per modellare fenomeni di propagazione e di interazione in
domini ampi e complessi (es. città, aeroporti, ecc.)
o piccoli e di grande complessità (es. la testa umana). In definitiva, lo scopo principale di questa
linea di ricerca è quello di avere uno strumento
che consenta all’utente finale (tipicamente il ricercatore) di gestire tutto il processo di
modellazione,
dalla
preelaborazione
(preprocessing) dei dati al calcolo vero e proprio
(soluzione delle equazioni di Maxwell) fino al post
processing, cioè all’elaborazione e presentazione
in forma grafica e animata, dei risultati ottenuti,
16
ossia la descrizione di quale può essere l’impatto
ambientale prodotto dai vari tipi di diffusori nei
vari tipi di ambienti.
Il framework sarà quindi costituito da: a) un
modulo di acquisizione e di elaborazione dei dati
in ingresso (pre-processing) provenienti da svariate tipologie di sorgenti (mappe catastali,
aerofotogrammi, dati da satellite, dati di misure,
CAD (Computer Aided Design), dati NMR
(Nuclear Magnetic Resonance) per la simulazione dei sistemi biologici; b) un modulo di gestione
delle architetture di calcolo che permetta all’utente
(una volta impostato il problema ed elaborato il
codice che intende utilizzare per avere i risultati
finali) di scegliere su quale tipo di macchina
(sequenziale classica, architetture parallele distribuite - dette cluster di calcolatori - o massivamente
parallela) dovrà partire il suddetto codice; c) un
modulo di gestione dei solutori delle equazioni di
Maxwell in grado di trattare diversi codici di risoluzione delle suddette equazioni, vale a dire i
metodi FDTD (Finite Difference Time Domain),
Ray-tracing 3D (tecnica di tracciamento dei raggi
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in tre dimensioni), MoM (Method of Moments),
FEM (Finite Element Method) o anche metodi ibridi che integrano uno o più di questi metodi; d) un
modulo di elaborazione e visualizzazione dei dati
in uscita (post-processing).
In effetti, il codice vero e proprio di questo
formidabile strumento di ricerca e di
sperimentazione è già disponibile in quanto è stato sviluppato, per altri scopi, da una delle società
(IDS di Pisa) partecipanti al Progetto 5%. Pertanto, l’obiettivo è quello di ritagliare il framework
esistente sulle esigenze di questa nuova linea di
ricerca in modo da potervi integrare i lavori sviluppati dai vari gruppi partecipanti relativi ai codici di calcolo dedicati alla simulazione,
modellazione e all’analisi della propagazione in
volumi estesi e complessi, alla stesura delle relative mappe tematiche di livello nelle aree urbane,
alle librerie di antenne e delle situazioni canoniche
in ambiente urbano, alle sorgenti complesse e distribuite (sistema di trazione ferroviaria e siti
aeroportuali).
È noto che per risolvere i problemi legati alla
determinazione dei CEM generati da una data distribuzione di sorgenti (cariche elettriche e correnti) si utilizza il sistema costituito dalle quattro
equazioni di Maxwell e che i campi E e B possono essere espressi anche mediante un potenziale
Equazioni di Maxwell
in forma di equazioni
differenziali
ρ
∇·E =
I.
ε
∂B
II. ∇ × E = −
∂t
III.
Risoluzione delle equazioni di Maxwell
1 ∂ 2φ
ρ
∇ φ − 2 2 =−
ε
c ∂t
J ∂E
+
IV. c ⋅ ∇ × B =
ε
∂t
E = −∇φ −
∂A
∂t
(a)
B=∇× A
1 ∂2A
J
∇ A− 2
=− 2
2
c ∂t
εc
2
r
ρ ( P1 ,t − )
c dV
φ ( P2 ,t ) = ∫
P1
4πε
La Comunicazione - numero unico 2000
∂ 2φ ∂ 2φ ∂ 2φ
1 ∂ 2φ
ρ
+
+
−
=−
∂ x 2 ∂ y 2 ∂z 2 c 2 ∂t 2
ε
2
∇⋅B = 0
2
scalare φ e un potenziale vettore A (ossia quattro
funzioni potenziali: φ, Ax, Ay , Az). Date le densità
della carica ρ(x,y,z,t) e della corrente J(x,y,z,t)
possiamo risolvere le equazioni di Maxwell in
qualsivoglia circostanza determinando prima i
potenziali φ e A con gli integrali (c) e (d) e poi
risalire ai campi E e B espressi dalle equazioni (a)
e (b) derivando i potenziali.
In effetti, per risolvere le equazioni di
Maxwell in forma differenziale o integrale (es. per
stimare la densità di potenza nei vari ambienti o
la corrente che attraversa il corpo di un uomo, a
contatto col terreno, esposto a CEM) si utilizzano
delle tecniche numeriche o asintotiche in quanto
le tecniche analitiche possono essere utilizzate
solo in pochi casi contemplanti configurazioni
molto semplici e/o schematizzate.
Le tecniche numeriche possono svilupparsi
nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza e sono caratterizzate dal fatto di suddividere lo spazio in cui si intende valutare il campo
in tante celle elementari, di forma definita, aventi
dimensioni molto minori della più piccola lunghezza d’onda della radiazione EM, avente le caratteristiche elettromagnetiche del mezzo rappresentato in quello specifico punto e all’interno del
quale il campo è ritenuto essere costante. Queste
tecniche sono utilissime per calcolare la distribuzione del CEM nello spazio e in particolare per
(c)
(b)
∂ A ∂ A ∂2 A 1 ∂ 2 A
J
+ 2 + 2 − 2
=−
2
2
∂x
∂y
∂z
c ∂t
ε c2
2
2
r
J ( P1 ,t − )
c dV
A( P2 ,t ) = ∫
P1
2
4πεc r
(d)
17
NOTE
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
NOTE
Damiano Musella
stimare con buona accuratezza il SAR (Specific
Absorption Rate) prodotto all’interno di strutture
non omogenee (es. la testa umana), soprattutto se
questo è generato da una sorgente complessa come
un telefono cellulare. In questo caso, infatti, è necessario avere un modello EM della testa umana
(in genere la modellazione di un corpo biologico
viene eseguito con l’aiuto della NMR che, fornendo l’immagine numerica dei vari tessuti facenti parte del mezzo indagato, permette di assegnare alle celle elementari in cui è suddiviso i relativi valori delle grandezze EM necessarie al calcolo del CEM e del SAR, in genere: permittività
dielettrica, conducibilità, densità), un modello del
terminale mobile (rappresentato da una sorgente
emittente una determinata potenza ed avente una
determinata geometria), un software che permetta di esaminare tutte le possibili posizioni relative
che possono assumere i due modelli, un idoneo
metodo di calcolo (per analizzare strutture non
omogenee è necessario utilizzare metodi di risoluzione delle equazioni di Maxwell atte a fornire
espressioni che siano funzione delle caratteristiche EM del punto considerato).
In generale, l’accuratezza dei risultati dipende molto dalla precisione con cui è stato modellato il radiatore, ma anche dalla modellazione degli
oggetti posti nelle vicinanze del radiatore e tra il
radiatore e il punto di predizione. Tuttavia le tecniche numeriche, pur richiedendo computer molto potenti, non presentano particolari problemi nel
modellare e simulare un radiatore o un terminale
mobile per cui la principale difficoltà risiede spesso nel rappresentare tali oggetti nello spazio
discretizzato. Il problema può essere risolto con
la tecnica Reverse Engineering che acquisisce la
geometria di un oggetto mediante l’uso di: a) due
telecamere, b) tecniche di triangolazione che permettono di fissazione le coordinate dei punti acquisiti, c) un programma di elaborazione delle immagini con cui costruire una rete di celle ricoprenti la superficie del modello.
I metodi numerici più comuni per la risoluzione delle equazioni di Maxwell comprendono
il metodo alle differenze finite (FDTD), il metodo
dei momenti (MoM), il metodo degli elementi finiti (FEM).
Per stabilire quale di questi metodi sia il più
appropriato per risolvere un particolare problema
si fa riferimento alle dimensioni (rispetto alla lunghezza d’onda) e alla forma delle strutture geo-
18
metriche incontrate lungo il cammino, al campo
di frequenza, alle condizioni di esposizione (campo vicino o campo lontano), al fatto di dover considerare campi esterni o interni alle strutture fisiche (ambiente indoor) o biologiche (corpo umano), all’accuratezza richiesta e al massimo tempo
di calcolo disponibile.
Il metodo alle differenze finite è uno dei procedimenti più importanti e conosciuti per il calcolo approssimato delle soluzioni di equazioni alle
derivate parziali e permette di risolvere anche le
equazioni differenziali di Maxwell espresse nel
dominio del tempo. Esso prevede la
discretizzazione sia del tempo che dello spazio
(comprendente sia l’oggetto in analisi che la regione circostante necessaria per simulare le condizioni di propagazione) e, approssimando le derivate spaziali e temporali coi corrispondenti rapporti incrementali, trasforma le equazioni differenziali in sistemi di equazioni algebriche, che
tenendo conto delle condizioni al contorno conducono alla soluzione. Lo spazio viene diviso in
celle elementari aventi forma dipendente dal sistema di riferimento utilizzato (nel caso di un sistema Cartesiano hanno forma parallelepipeda) e
la memoria richiesta al computer è proporzionale
al numero delle celle medesime. Questo metodo
è molto flessibile in quanto si presta a essere utilizzato sia per il calcolo dei CEM esterni che interni alle strutture (come la distribuzione del SAR
nei corpi biologici), sia per determinare l’esposizione in campo lontano che in campo vicino.
Il metodo dei momenti è il metodo più utilizzato nel dominio della frequenza e permette di
trasformare le equazioni integrali in sistemi di
equazioni algebriche lineari attraverso una
discretizzazione del volume in cui è suddiviso il
corpo in opportune celle elementari. Questa tecnica è utilizzata anche per calcolare il SAR nei
corpi biologici a partire dalla valutazione del campo elettrico mediante la funzione di Green soluzione delle equazioni integrali di Maxwell. La
memoria richiesta al computer cresce con il quadrato del numero di celle utilizzate e comporta
tempi di elaborazione proporzionali al cubo dello
stesso numero; pertanto, dal punto di vista dell’occupazione di memoria e dei tempi di calcolo,
è preferibile il metodo FDTD.
Le tecniche asintotiche risultano particolarmente utili per valutare il CEM in spazi molto este-
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IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
si. In questo caso infatti i metodi numerici, dovendo considerare un grandissimo numero di celle, richiedono computer di elevate prestazioni e
grandi quantità di memoria. Queste tecniche fanno uso dei principi dell’ottica geometrica (che si
applicano laddove si devono considerare fenomeni di riflessione in quanto tale branca si basa sul
principio della propagazione rettilinea della luce
e sull’indipendenza dei raggi luminosi, ossia si
assume che essi non interagiscono) e dell’ottica
fisica (che sposando il carattere ondulatorio della
radiazione si applica ai fenomeni di interferenza,
diffrazione e polarizzazione) e sono valide allorché
la lunghezza d’onda del CEM è molto più piccola
degli oggetti con cui interagisce. A tale riguardo
fanno scuola due notissimi problemi canonici: 1)
onda piana incidente su un piano metallico indefinito e 2) diffrazione di un semipiano metallico
infinitamente sottile e perfettamente conduttore.
Nei casi in cui il fenomeno della riflessione
gioca un ruolo chiave viene applicato il cosiddetto principio locale della riflessione secondo cui,
allorché la lunghezza d’onda tende asintoticamente
a zero, la riflessione è determinata solo dalle caratteristiche del riflettore nell’intorno del punto
d’incidenza. Le antenne a riflettore rappresentano un caso pratico di applicazione delle tecniche
dell’ottica geometrica: i raggi incidenti vengono
riflessi e quindi il CEM incidente viene reirradiato
nello spazio. Il riflettore di tali antenne, oltre ad
avere dimensioni molto grandi rispetto alla lunghezza d’onda utilizzata, si trova sufficientemente lontano dall’illuminatore in modo da essere investito da un campo localmente piano (l’elemento di superficie riflettente deve avere un raggio di
curvatura R>λ).
In genere nell’interazione del CEM con un
ostacolo si tiene conto solo del campo incidente e
di quello riflesso, trascurando l’effetto dei suoi
spigoli che pure danno luogo a un cono di raggi
diffratti, ciascuno dei quali forma un angolo con
lo spigolo stesso (nel caso del radiatore ciò si traduce nella fuoriuscita di parte della radiazione dal
tubo di flusso avente l’asse nella direzione di
massimo irraggiamento). In pratica, ogni punto
del bordo può essere considerato come sede di
un’onda diffratta per cui il campo totale viene ad
essere costituito dalla somma dei tre campi. Per
valutare il campo diffratto dagli spigoli, che possono essere rettilinei o curvi (si considera spesso
il caso di un’onda piana incidente su una superfi-
La Comunicazione - numero unico 2000
cie cilindrica metallica avente raggio di curvatura
variabile), si utilizzano le tecniche che fanno uso
della Geometrical Theory of Diffraction (GTD) la
quale, oltre a considerare i raggi diretti e riflessi,
introduce i raggi diffrattivi estendendo la teoria
ottica della riflessione.
L’uso di tecniche tridimensionali di
tracciamento dei raggi (Ray-Tracing 3D), utilizzata spesso in combinazione con la teoria geometrica della diffrazione (GTD), risulta molto utile
per l’analisi della propagazione in ambiente indoor
e in ambiente urbano, ove bisogna considerare
gli effetti dei raggi diretti, riflessi e diffratti di ordine 1, 2, 3, . . , n (ossia riflessi e diffratti n volte),
con n estremamente grande, sulle pareti orizzontali, verticali e relativi angoli delle costruzioni, oltre
che sui mobili e oggetti interni. È tuttavia evidente che i tempi di calcolo degli algoritmi utilizzati
sono fortemente sensibili al numero di interazioni
considerate e quindi al numero di oggetti adoperati per descrivere l’ambiente in cui avviene la
propagazione. Per ridurre in modo significativo i
tempi di calcolo è quindi necessario sviluppare
dei criteri che permettano di limitare la descrizione ambientale agli elementi strettamente indispensabili per ottenere l’approssimazione desiderata.
È facile prevedere che questo tipo di tecniche troveranno grande applicazione nella previsione dei campi EM in ambiente microcellulare e
picocellulare.
Le tecniche ibride consentono anch’esse di
superare le limitazioni intrinseche delle tecniche
numeriche su esposte. Infatti, allorché il dominio
dell’ambiente da modellare in dettaglio abbraccia
estesi volumi di spazio può essere conveniente
utilizzare il solutore ibrido FDTD-Integrale di
Kirchhoff in luogo del solutore classico FDTD,
che richiede un passo di griglia molto minore della lunghezza d’onda in gioco e quindi computer
molto potenti.
In definitiva:
Il Tema 1.1 si occupa della realizzazione
dell’architettura generale del codice a partire dallo strumento già sviluppato dalla società IDS allo
scopo di integrarlo con gli altri solutori e codici di
calcolo sviluppati dai vari gruppi di ricerca che si
riferiscono alla Linea 1. Il lavoro, quindi, parte
dalle specifiche tecniche dell’architettura di codice e si concluderà con la sua validazione su di-
19
NOTE
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
Damiano Musella
NOTE
mostratori.
Il Tema 1.2 si occupa della caratterizzazione delle sorgenti canoniche, della realizzazione e
integrazione dei moduli solutori nonché della loro
validazione su dimostratori.
In effetti, le sorgenti di CEM (antenne) hanno le tipologie più disparate per cui viene considerata la possibilità di individuarne le caratteristiche comuni in modo da ridurle a pochi esemplari
canonici e nel contempo fornirne una
modellazione realistica. La caratterizzazione delle sorgenti canoniche risultanti porterà alla creazione di librerie (sia delle sorgenti che dei modelli) che andranno a integrare il framework.
L’altra attività del tema si prefigge di sviluppare due moduli solutori, uno alle differenze finite e uno Ray-Tracing tridimensionale ed almeno
un propagatore ibrido FDTD-Kirchhoff che consenta la propagazione delle onde EM nello spazio libero a grande distanza. A ciò si aggiunge la
creazione di moduli solutori per il calcolo del campo vicino, creato dalle antenne degli impianti di
comunicazione mobile, del tipo FDTD, basato su
tecniche asintotiche e loro ibridizzazione (FDTD
più ray-optics).
Il Tema 1.3 fondamentalmente si occupa
della creazione delle mappe tematiche (per ogni
tipologia di installazione) in ambiente urbano rappresentanti i livelli dei CEM prodotti dalle varie
sorgenti ivi presenti.
L’obiettivo primario è quello di rendere disponibile uno strumento EM che permetta di valutare i livelli di campo in zone estese. L’idea è
quella di identificare un algoritmo di previsione
dei livelli di campo che generi modelli a complessità decrescente mano a mano che ci si allontana dalla sorgente e che possono essere utilizzati
uno dopo l’altro, in successione, sia che ci si allontana o che ci si avvicina alla sorgente. Ogni
modello richiede una determinata precisione nella descrizione dell’ambiente circostante il radiatore: molto spinta in prossimità dell’antenna e sempre meno dettagliata mano a mano che ci si allontana dalla sorgente.
Una volta definito l’algoritmo di calcolo del
CEM si tratta di identificare le possibili tipologie
di sorgenti di campo, determinare i loro parametri caratteristici (esempio: di un certo tipo di SRB,
rilevare l’altezza, la potenza emessa e il diagram-
20
ma di radiazione) e i livelli di campo presenti in
prossimità dell’antenna. Inoltre, devono essere
definiti i livelli di CEM nelle fasce di interesse
dello spettro radio, il loro grado di accuratezza e
la risoluzione da cui dipendono gli intervalli tra
le linee che devono essere rappresentate sulle
mappe tematiche (la risoluzione necessaria dovrà
essere molto elevata in prossimità delle sorgenti,
mentre potrà essere sempre più bassa mano a
mano che ci si allontana dalle sorgenti).
Un altro importante passo è quello di definire un approccio metodologico che consenta di scegliere e sviluppare i modelli di cui sopra integrandoli con le basi dati territoriali disponibili (anche
in termini di risoluzione). In effetti, in un contesto urbano non è possibile descrivere perfettamente tutto l’ambiente in cui si vanno a definire le
mappe.
Il Tema 1.3 è costituito da tre sottotemi:
a) sorgenti di campo in area urbana e relativa individuazione di modelli per la loro caratterizzazione e descrizione, studio e verifica della
validità dei modelli di previsione di campo adatti
per la generazione delle mappe tematiche,
individuazione di criteri di analisi delle mappe
tematiche che consentano di definire un livello di
qualità dell’installazione in relazione allo stato di
inquinamento ambientale generato.
b) codici di calcolo del CEM e
individuazione delle informazioni ambientali necessarie e delle relative basi dati territoriali, sviluppo dei moduli sw per il calcolo del CEM e generazione delle mappe tematiche, determinazione della qualità dei siti urbani sulla base dei criteri di analisi delle mappe tematiche individuati.
c) classificazione delle diverse tipologie di
antenna, modellazione delle diverse sorgenti di
CEM, eventuale aggiornamento delle tipologie di
antenna e dei modelli di diagrammi di radiazione
e supporto tecnico alle altre attività del tema.
Il Tema 1.4 in generale si occupa della caratterizzazione EM dell’ambiente in presenza di
sorgenti complesse e distribuite. In particolare si
occupa di modellare l’ambiente ferroviario (soprattutto con riferimento ai nuovi treni ad alta velocità, che saranno alimentati in corrente alternata) e l’ambiente aeroportuale.
La caratterizzazione dell’ambiente, anche a
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elettrica verso l’esterno e alla sua valutazione all’interno delle carrozze, alle variazioni dei CEM
dovute alla presenza di più locomotori sulla linea, alle situazioni di guasto, ecc. La Fiat, nell’ambito del trasporto ferroviario e in particolare
dello sviluppo del nuovo materiale rotabile dei
treni ad alta velocità, si propone di determinare i
livelli di CEM (con codici di calcolo sviluppati ad
hoc) a cui sono sottoposti i passeggeri ed il personale viaggiante nei nuovi convogli a c.a., oltre che
suggerire soluzioni a basso impatto EM da includere negli obiettivi di progetto.
Tra le sorgenti distribuite (e complesse) i sistemi di comunicazione personale ricoprono un
ruolo predominante. È facile prevedere, infatti, che
i nuovi sistemi saranno sempre più distribuiti e
portatili. In un recente convegno, per dare un’idea
della distribuzione, nonché delle dimensioni estremamente ristrette degli ambienti da considerare,
è stato detto che in futuro le stazioni radio base
(SRB) scompariranno dalla sommità degli edifici
in quanto saranno portatili e personali, nel senso
che ogni persona trasporterà la propria SRB che
gli permetterà di colloquiare con altre persone e
gestire macchine e sistemi.
Il Tema 1.4 è costituito da tre sottotemi:
a) individuazione e caratterizzazione delle
principali sorgenti di inquinamento EM a frequenza industriale all’interno di materiale rotabile, sviluppo di modelli e metodi di predizione del campo magnetico, loro applicazione e confronto con
risultati sperimentali
b) simulazione del sistema elettrico di alimentazione delle linee di trazione ferroviaria, caratterizzazione dell’emissione EM relativa, verifiche
sperimentali dei codici sviluppati
c) individuazione e caratterizzazione EM di
zone tipiche dell’ambiente aeroportuale ottenute
integrando le informazioni disponibili con opportune misure in loco, definizione di idonee
metodologie di misura, sviluppo di programmi
specifici di valutazione del CEM basati su tecniche MoM, UTD (Uniform Theory of Diffraction Teoria uniforme della diffrazione) ed ibride,
individuazione di metodologie di misura finalizzate alla quantificazione dell’esposizione dell’uo-
21
NOTE
fini di simulazioni, consiste nel determinare le
caratteristiche delle SRB (posizionamento, potenza trasmessa, numero di antenne, direzione di
puntamento), le caratteristiche del territorio
(orografia, vegetazione, urbanizzazione), i dati di
propagazione (le intensità di campo EM rilevate
in ogni punto del territorio interessato emesse dalle
singole SRB).
Il tema delle sorgenti distribuite è attualmente
molto dibattuto per una serie di motivi essenzialmente legati alle interferenze EM da essi provocate che possono dare luogo a seri inconvenienti.
Molti studi e ricerche vengono condotti sulle procedure automatiche per il calcolo delle interferenze
EM fra sistemi e strutture distribuite di diversa
natura, in particolare tra le linee di trazione elettrificate in corrente alternata (come la linea ferroviaria ad alta velocità, che comporta notevoli problemi di impatto ambientale) e le strutture metalliche filari (anche interrate) circostanti (linee di
tlc, metanodotti e tubazioni in genere), parallele e
non. Una linea di tlc potrebbe essere rappresentata come un lungo oggetto metallico e quindi comportarsi come un’antenna che raccoglie il CEM
generato dalla linea inducente trasformandolo in
tensioni e correnti e reirradiandolo.
La nuova linea ferroviaria ad alta velocità
(AV) sarà alimentata da una tensione monofase di
25 kV - 50 Hz, mentre la quasi totalità delle linee
elettrificate ferroviarie italiane utilizza la corrente
continua alla tensione nominale di 3 kV. Tuttavia,
allo scopo di evitare interferenze con gli attuali
sistemi, nei punti critici (ovvero in corrispondenza di interconnessioni, nodi urbani, tratti in cui
l’AV è affiancata alla linea esistente, ecc.) la tensione di alimentazione rimane a 3 kV. Il nuovo
sistema di alimentazione a 25 kV viene ad essere
costituito da tratte a c.a. alimentate da sottostazioni
collegate fra di loro in una configurazione ad anello
(la prima e l’ultima è connessa ad una centrale
Enel). La rete potrebbe poi essere allacciata tramite trasformatori alla rete elettrica Enel a 380 kV
(cioè alla dorsale principale del sistema elettrico
nazionale) invece che alla rete a 132 kV (che approvvigiona i centri abitati) in modo da non arrecare disturbi alla distribuzione urbana di energia
elettrica a causa di inevitabili squilibri di carico.
Visto il valore delle tensioni in gioco, il tema
riguardante l’ambiente ferroviario si presenta ricco di spunti, soprattutto in relazione al calcolo del
campo magnetico emesso dalla linea di trazione
Damiano Musella
mo ai CEM
Linea di ricerca 2
Misura dei livelli di campo elettromagnetico nell’ambiente
NOTE
Temi:
2.1 Sviluppo di misuratori dei livelli di campo elettromagnetico
2.2 Tecniche, strumentazione e procedure
di misura dei campi elettromagnetici
2.3 Tecniche e procedure per l’analisi ed il
monitoraggio della distribuzione del campo EM
sul territorio
Lo scopo ultimo di questa linea di ricerca è
quello di studiare, progettare e realizzare i prototipi dimostrativi di un sistema mobile di misura
automatico in grado di rilevare, controllare e
monitorare i livelli di CEM in tutte le zone del
territorio sotto osservazione (limitatamente agli
ambienti accessibili alla popolazione) e per tutto
il tempo desiderato. Ciò presuppone la realizzazione di tre elementi base: una adeguata
strumentazione dislocata sul territorio, un centro
di controllo e raccolta dati remoto ed una rete di
connessione con relativo sistema di trasmissione
dati.
Procedendo secondo un’analisi di tipo topdown, si dovranno sviluppare: a) nuove tecniche
sperimentali per la identificazione delle sorgenti
e per il monitoraggio dei livelli di CEM e b) nuova strumentazione di monitoraggio e sorveglianza da installare nelle zone ad alta densità di sistemi radianti e/o in presenza di elevate intensità di
campo elettrico, magnetico o EM.
Gli strumenti di misura devono essere in grado di coprire lo spettro di frequenze compreso
tra le ELF (Extremely Low Frequency) e le
microonde, in modo da poter tenere sotto controllo gli elettrodotti (50 Hz), i trasmettitori radio
(AM e FM, soprattutto gli impianti a OL, OM e
OC che richiedono una fascia di rispetto piuttosto estesa, dipendente dalla potenza emessa) e
quelli televisivi (VHF e UHF), gli impianti di telefonia mobile e cellulare (le SRB), i sistemi radar, ecc. Per poter assolvere al compito cui sono
destinati, gli strumenti devono essere trasportabili
e flessibili, in grado di fornire i livelli misurati e
le corrispondenti frequenze, registrare i dati per
tempi sufficientemente lunghi, richiedere poca
22
manutenzione e soprattutto di basso costo.
Per abbassare i costi delle apparecchiature
di misura si devono realizzare strumenti modulari,
ciascun modulo è sensibile ad una delle bande di
frequenza suddetta. Pensare di coprire tutto lo
spettro (e quindi rifornirsi di tutti i moduli) è inutile e costoso in quanto le frequenze con cui la
popolazione può interagire sono suddivise in bande tipiche (es. in bassa frequenza interessa la riga
a 50 Hz e le sue armoniche). Inoltre, poiché il
sistema di misura è costituito da apparati mobili
riallocabili nell’ambito del territorio, può non essere necessario comprare un grande numero di
strumenti e lasciarli sul campo per un tempo indefinito. In pratica, la modularità presenta il vantaggio di potere assemblare la strumentazione in
funzione delle effettive necessità (e quindi possono essere acquistati solo i moduli relativi alle
bande di frequenza di interesse), la mobilità permette di limitare il numero di strumenti a quelli
strettamente necessari, al limite uno solo (sempre
lo stesso) che verrebbe spostato di volta in volta
da una postazione all’altra.
Gli apparati mobili (detti centraline) contengono al loro interno gli elementi per raccogliere i
dati e quantificare le esposizioni delle persone per
poi inviarle alla postazione centrale di controllo
remoto. In pratica, i sensori catturano la componente del CEM (E o H) che interessa rilevare e la
inviano ai rispettivi ricevitori (eventualmente posti sullo stesso rack) che a loro volta trattano i dati
raccolti in modo da estrarre le informazioni di interesse (tipicamente i livelli e le corrispondenti
frequenze), demodulati e spediti alla stazione di
controllo remoto ove vengono memorizzati, elaborati e presentati in forma analitica o grafica.
In commercio si trovano misuratori di livello di CEM a larga banda (o a rivelazione diretta,
in cui la rivelazione viene fatta direttamente sull’antenna per cui si perde l’informazione di frequenza), di piccole dimensioni, compatti, portatili, pratici ed economici con cui è molto facile localizzare i punti in cui il campo risulta più elevato; solo se, in qualche punto, i valori misurati si
avvicinano alle soglie ritenute pericolose può essere utile ripetere le misurazioni con gli ingombranti, pesanti e costosi, ma più accurati, strumenti
selettivi (tipicamente gli analizzatori di spettro
comprensivi di set di antenne calibrate). Nel nostro caso abbiamo bisogno di strumenti innovativi che impieghino sensori di tipo isotropo a larga
La Comunicazione - numero unico 2000
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Il Tema 2.1 tratta i sensori di campo (per il
campo elettrico e magnetico a 50 Hz e a frequenze più basse, per il campo elettrico nelle gamme
più elevate), i loro requisiti (isotropia, mantenimento dell’informazione su frequenza e potenza
del segnale di ogni singola sorgente), i sistemi per
la misura di correnti indotte nel corpo umano e
scaricate a terra, i sensori per la misura di transitori. Dovendosi occupare di argomenti di rilevante interesse (anche commerciali) è costituito da
ben sei sottotemi (e relativi gruppi di lavoro):
a) Sensori e sistemi per misure di corrente
tra corpo umano e terra e per correnti impulsive
b) Elettronica dei sensori a larga banda
c) Definizione delle specifiche dei sensori;
studio di sensori isotropici a larga banda
d) Progettazione e caratterizzazione di
circuiteria a RF
e) Metrologia e taratura dei sensori
f) Sviluppo, realizzazione e fornitura dei
sensori
Il tema 2.2 è costituito da cinque sottotemi:
La Comunicazione - numero unico 2000
a) Analisi dell’inquinamento EM nell’ambiente
b) Analisi delle tecniche e definizione delle
procedure per la misura dell’inquinamento EM
c) Software di base per la raccolta dei dati
dai ricevitori e per la loro archiviazione locale in
formato appropriato
d) Progetto e realizzazione di unità modulari
per l’analisi e la misura di segnali EM
e) Progetto e realizzazione di centralina integrata per la valutazione dell’esposizione ai campi EM
Il tema 2.3 è costituito da due sottotemi:
a) Definizione e sviluppo dell’architettura di
sistema per l’analisi dei dati di campo EM sul territorio
b) Realizzazione di un sistema di trasmissione dei dati di esposizione ad un centro di controllo remoto
Linea di ricerca 3
Interazione tra sorgenti e soggetti esposti
Temi:
3.1 Misure sperimentali di accoppiamento
tra sorgenti e soggetti esposti
3.2 Modelli di calcolo del campo elettromagnetico assorbito in soggetti esposti ai sistemi di
comunicazione mobile
3.3 Individuazione dei meccanismi di
interazione del campo elettromagnetico con i
biosistemi
3.4 Effetti biologici in vitro ed in vivo dei
campi elettromagnetici
Questa linea di ricerca tratta gli studi relativi
all’interazione tra le sorgenti ed i soggetti esposti, prevede studi ed esperimenti in vivo ed in vitro
per investigare sui possibili effetti biologici ed
eventualmente determinare i meccanismi di azione che sono alla base di questi effetti ai vari livelli della scala biologica, dal molecolare al cellulare.
In effetti, la principale difficoltà di questi sudi
è quella di stabilire le relazioni che intercorrono
tra le caratteristiche fisiche dei campi e le loro
conseguenze sui tessuti biologici. Il primo passo
è quello di sviluppare le conoscenze relative al
campo assorbito dal soggetto esposto a vari tipi
di sorgenti (linee elettriche, varchi magnetici, stazioni radio base, telefoni cellulari, comunicazio-
23
NOTE
banda ma che, nel contempo, conservino l’informazione di frequenza (che insieme al corrispondente livello di CEM è un dato essenziale in quanto
i limiti dell’esposizione sono riferiti alle frequenze in gioco). Pertanto il sistema di sensori deve
limitarsi a trasportare il segnale informativo completo al sistema di ricevitori (ciascuno per le frequenze di interesse). All’uscita del ricevitore (a
livello della centralina) vengono estratte le grandezze e i parametri di interesse (E, H, S o densità
di potenza) con le corrispondenti frequenze che,
raccolti e codificati, vengono trasmessi (anche via
wireless, possibilmente senza aumentare il livello
di inquinamento) e inviati alla centrale di controllo remoto. Questo centro ha la funzione di raccogliere, memorizzare ed elaborare i dati ricevuti
dagli strumenti di misura e renderli disponibili agli
interessati; a tale scopo impiega un database e la
rete Internet.
La capacità di registrazione dei dati con adeguata copertura temporale è una caratteristica importante in quanto, per una rete di distribuzione
elettrica, il carico subisce variazioni giornaliere e
stagionali e il livello di campo magnetico dipende dall’assorbimento della corrente; così come
nella telefonia cellulare i valori di CEM dipendono dal numero di utenti in comunicazione.
NOTE
Damiano Musella
ni radio e multimediali, ecc.) che, come è noto,
emettono CEM aventi caratteristiche (ed effetti)
molto diverse tra loro. I varchi magnetici, ad esempio, stanno diventando sempre più comuni trovando applicazione soprattutto come barriere antitaccheggio per la prevenzione dei furti. Questi sistemi creano un campo magnetico avente frequenza compresa tra diverse decine di Hz e qualche
MHz, in un’area delimitata e obbligata al passaggio e sono in grado di rilevare la presenza di una
fascetta applicata sugli articoli esposti. In genere
(seguendo le linee guida ICNIRP) i valori di induzione magnetica prodotti sono alquanto elevati
(diverse decine di µT) se la frequenza del campo
è bassa (decine di Hz) e molto bassi (frazioni di
µT) se frequenza del campo generato è alta (qualche MHz). D’altronde, per f>100 kHz i valori misurati devono essere mediati su intervalli di tempo di 6 minuti (mentre il passaggio dura solo qualche secondo).
Un altro obiettivo importante è quello di pervenire a risultati dosimetrici, ossia quantificare la
dose di energia assorbita da un sistema biologico
(corpo umano) in conseguenza dell’esposizione
ai CEM e poi correlare tale energia agli eventuali
effetti indotti (sia termici che non termici). La grandezza dosimetrica più significativa (anche per
definire i limiti di esposizione) è il tasso di assorbimento specifico (SAR) che viene definito come
la potenza assorbita dall’organismo per unità di
massa. Più precisamente: è la derivata, rispetto al
tempo, dell’energia elementare dW assorbita da
(o dissipata in) una massa elementare dm: SAR=d/
dt (dW/dm). Si noti, tuttavia, che in genere il SAR
viene utilizzato per frequenze superiori a 10 MHz,
mentre per valori inferiori viene utilizzata la densità di corrente indotta all’interno dell’organismo.
Per determinare la distribuzione e il valore
medio del SAR nei tessuti si utilizzano metodi di
misura sia teorici che sperimentali.
Nel primo caso occorre un sistema
computazionale con cui dovranno essere sviluppati: a) modelli tridimensionali che simulino l’intero corpo umano o parti di esso (possono utilizzarsi immagini di risonanza magnetica) e b) modelli di calcolo (in genere FDTD) atti a determinare il reale assorbimento del CEM irradiato da
qualsivoglia sorgente (sia di bassa che di alta frequenza), la cui applicazione richiede la conoscenza
delle proprietà elettriche alla frequenza di esposizione delle diverse parti del corpo. In effetti, pos-
24
sono essere utilizzati modelli di diversa complessità in dipendenza dell’accuratezza richiesta.
Nel secondo caso si possono utilizzare animali o fantocci simulanti il corpo umano e un certo
numero di microsensori di campo elettrico e di
temperatura impiantati nei fantocci e opportunamente disposti; il SAR è proporzionale: al quadrato del campo elettrico (in valore efficace) e
all’innalzamento di temperatura.
Le misure eseguite con questi due metodi
possono condurre allo sviluppo di un modello
microdosimetrico che, tenendo conto dei meccanismi biologici e delle vie elettrobiochimiche interessate, può stabilire il legame cercato tra quantità di energia assorbita durante l’esposizione e
gli effetti biologici.
In effetti, tutto ciò è facilmente realizzabile
solo negli esperimenti in vivo (su animali da laboratorio) ed in vitro, ove i sistemi espositivi e la
modellistica possono fornire grande aiuto.
Le indagini epidemiologiche, invece, nonostante la conoscenza oggettiva di tutti i dati di esposizione, procedono molto lentamente e in modo
molto più grossolano, ma forniscono risultati definitivi rispetto ai reali effetti dei CEM sul complesso sistema “corpo umano”.
La terza linea guida è quella di promuovere
ed eseguire esperimenti con metodologie standardizzate e protocolli ben definiti in modo da conseguire risultati sicuramente riproducibili.
Il tema 3.1 è costituito da quattro sottotemi:
a) Messa a punto di un banco di misura standardizzato SAR
b) Progettazione e realizzazione di sensori
di campo elettrico e magnetico miniaturizzati,
impiantabili in fantoccio dielettrico
c) Realizzazione di sistemi espositivi caratterizzati
d) Progettazione e realizzazione di un
simulatore elettromagnetico ad hoc
Il tema 3.2 è costituito da tre sottotemi:
a) Tecniche numeriche per la caratterizzazione del campo emesso da terminali per la telefonia mobile ai fini della valutazione del SAR in
soggetti esposti
b) Sviluppo ed ottimizzazione di programmi specializzati per la valutazione del SAR e degli eventuali aumenti di temperatura in soggetti
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Il tema 3.3 è costituito da due sottotemi:
a)Microdosimetria dei compartimenti
cellulari
b) Modellistica dell’azione dei campi EM sui
processi bioelettrochimici
Il tema 3.4 è costituito da due sottotemi:
a) Analisi degli effetti morfologici e
funzionali dei campi EM su sistemi cellulari ed
implicazione nei processi di cancerogenesi
b) studio di effetti su tessuti ed organi specifici (sistema uditivo, tessuto cerebrale)
Linea di ricerca 4
Tecniche di controllo,
risanamento
protezione
e
Temi:
4.1 Immunità degli apparati elettromedicali
4.2 Tecniche di controllo delle emissioni e
di riduzione dell’impatto ambientale a frequenza
industriale
4.3 Tecniche di controllo delle emissioni e
di riduzione dell’impatto ambientale alle
radiofrequenze e microonde nei sistemi di
telecomunicazione
4.4 Tecniche di controllo e di riduzione delle esposizioni alle radiofrequenze in ambienti confinati
Questa linea di ricerca rappresenta il punto
di arrivo del Progetto 5% in quanto tratta delle
possibili tecniche di protezione dai CEM. È anche quella più articolata perché si occupa delle
tecniche di controllo delle emissioni, dello studio
dei sistemi e delle tecniche di progettazione atte a
ridurre le emissioni in modo che l’impatto ambientale da essi provocato sia il più basso possibile (principio ALARA – As Low As Reasonable
Avoidable), dello sviluppo delle tecniche di protezione dell’uomo con specifico riferimento a particolari situazioni e ambienti (portatori di protesi
elettriche, apparati elettromedicali, mezzi di trasporto a trazione elettrica, aeroporti) e del
La Comunicazione - numero unico 2000
risanamento.
Dei quattro temi di ricerca, due mirano al
controllo dell’ambiente in generale (in b.f.,e in
a.f.) e due sono invece riferiti a particolari ambienti confinati (l’ambiente ospedaliero, ivi compresi gli apparati elettromedicali, e quello dei trasporti).
Sostanzialmente gli obiettivi sono due: identificare e ridurre gli effetti negativi dei campi sulla salute umana, sia nell’interazione diretta sull’uomo sia anche in relazione alle interferenze con
i dispositivi elettromedicali che hanno grande
rilevanza sulla salute.
Il tema 4.1 relativo agli apparati
elettromedicali tratta dei potenziali rischi di interferenza elettromagnetica (EMI) con le
apparecchiature elettromedicali e in particolare
con quelli di importanza vitale (es. pacemaker).
In particolare, in ambiente ospedaliero i CEM possono portare a un danno indiretto per l’uomo in
quanto alcune apparecchiature possono esserne
influenzate e di conseguenza non funzionare correttamente. Le interferenze dipendono dalla potenza, dalla frequenza e dal tipo di segnale, ma
soprattutto dal grado di schermatura (che rende
conto del livello di immunità alle interferenze)
delle apparecchiature. I pacemaker, ad esempio,
possono subire variazioni dal loro normale funzionamento, con grave rischio per la salute del
paziente, allorché un telefonino venga posizionato nelle sue immediate vicinanze.
Per apparati come i pacemaker, da un lato si
intendono sviluppare protocolli per la verifica
delle caratteristiche di immunità di prodotto (per
le apparecchiature elettromedicali e per i
pacemaker) e dall’altro si vogliono studiare soluzioni per realizzare pacemaker a immunità maggiore di quelli attualmente disponibili sul mercato, in modo da risentire degli effetti di eventuali
interferenze solo a brevissima distanza dalle sorgenti di CEM.
Il tema 4.2, riguardante le tecniche di controllo e di risanamento dei campi magnetici a frequenza industriale prodotti dalle linee elettriche,
si propone di valutare e di suggerire soluzioni al
difficile problema della schermatura del campo
magnetico alla frequenza di rete. In particolare si
vogliono sviluppare cavi schermati a debole campo magnetico da utilizzare in luogo delle attuali
25
NOTE
esposti a sistemi di telefonia mobile
c) Sviluppo di procedure standard per la valutazione numerica del SAR alla luce delle
normative di protezione
Damiano Musella
NOTE
linee elettriche (in particolare per i treni ad alta
velocità). Il problema non appare di semplice soluzione in quanto la maggior parte dei materiali
sono trasparenti al campo magnetico. Ci si propone di analizzare l’effetto schermante di diversi
materiali, nonché di diverse tecniche di
schermatura con opportuni intrecci di questi materiali e valutare quindi l’efficacia di ciascuna soluzione. Una volta individuate le soluzioni migliori si realizzeranno una serie di cavi a debole
campo magnetico idonei per diverse tipologie di
linea (sia per la trasmissione che la distribuzione
e quindi ad alta, media e bassa tensione). In effetti, il campo magnetico dovrà essere ridotto sia
attraverso le schermature suddette sia anche attraverso appropriate configurazioni geometriche
dei conduttori, che pure influiscono sul campo
magnetico prodotto dalla linea.
Lo sviluppo dei trasporti, che risponde alle
crescenti esigenze di mobilità e di rapidità di spostamento di persone e merci sulle corte e lunghe
distanze, rappresenta una delle sfide più impegnative dei nostri tempi. La minimizzazione dell’impatto ambientale (relativo ai campi elettromagnetici generati dall’alimentazione elettrica, al rumore, alle vibrazioni, ecc.) introdotto dai treni ad
alta velocità dipenderà strettamente dalle tecnologie e dalle soluzioni tecniche adottate.
I risultati dei test per la determinazione dei
livelli di esposizione ai campi elettrici e magnetici resi noti dalla stessa società Tav S.p.A. (http://
www.tav.it) indicano valori largamente inferiori
ai limiti riportati dalla normativa vigente (DCPM
del 23 aprile 1992). In particolare, in prossimità
della linea AV risulta che:
-a 2 metri di altezza dal suolo nella zona
sottostante l’elettrodotto Emax=3kV/m, Bmax=8 µT
-a 15 metri dall’asse dell’elettrodotto (limite della fascia di asservimento) Bmax=4 µT.
-entro 15 cm dalle rotaie (zona inaccessibile a chiunque) i valori massimi che risultano al
momento dell’incrocio di due treni, sono
Emax=2,5 kV/m e Bmax=110 µT.
All’interno delle carrozze nelle condizioni
di massimo traffico (circolazione su entrambi i
binari con distanziamenti tra un treno e l’altro di
circa tre minuti e mezzo), un passeggero è esposto:
- a valori paragonabili ai limiti del DPCM
26
per il 5% del viaggio (corrispondente al tempo di
incrocio dei convogli)
- a valori inferiori alla metà dei limiti stabiliti dal DPCM nel 40% del tempo di viaggio
-a valori dell’ordine del 10% di quelli prescritti dal DPCM nel 55% del tempo restante
La Tav SpA conclude che, anche ipotizzando
le condizioni più gravose dal punto di vista dell’assorbimento di potenza elettrica, non si verificano situazioni di rischio né per i passeggeri, né
per il personale viaggiante, né per quello addetto
alla manutenzione ferroviaria, né per gli abitanti
delle zone limitrofe al percorso tracciato per le
linee AV.
In effetti, occorre, da un lato verificare i valori rilevati (che sono stati ottenuti in base ad un
modello e in un ipotetico viaggio) e dall’altro trovare soluzioni in grado di abbatterli in modo da
ridurli a valori più soddisfacenti. Si ricorda che, a
f=50 Hz, i limiti massimi dei livelli di campo elettrico e magnetico attualmente previsti dalla legislazione italiana per le esposizioni prolungate della
popolazione sono rispettivamente di 5 kV/m (che
diventano 10 kV/m per le esposizioni di breve
durata) e di 100 µT (che diventano 1000 µT per
le esposizioni di breve durata). Tuttavia, occorre
notare che questi livelli: a) rappresentano valori
limiti di sicurezza, b) sono volti soltanto a limitare gli effetti acuti dell’esposizione, escludendo
totalmente eventuali effetti nocivi causati da esposizione di lungo tempo, c) molti studi
epidemiologici indicano per l’induzione magnetica una soglia di rischio compresa tra 0,20 e
0,25 µT.
Il tema 4.3 si occupa del controllo e
dell’ottimizzazione dell’impatto dei CEM in a.f.,
con particolare riguardo ai sistemi di tlc. Il primo
sottotema mira a ottimizzare l’allocazione dei trasmettitori nelle aree urbane. Gli obiettivi sono,
ancora una volta, lo sviluppo di codici di calcolo
dei CEM irradiati dai siti, in particolare da quelli
della telefonia mobile, a cui segue lo sviluppo di
procedure standard per la valutazione dell’idoneità
dei siti per l’installazione dei trasmettitori. In effetti però questo è solo il primo passo in quanto è
anche opportuno ottimizzare l’allocazione di più
antenne nello stesso sito in modo da dare una risposta ad un problema ricorrente, ossia se è più
opportuno avere una delocalizzazione delle an-
La Comunicazione - numero unico 2000
IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
tenne, in particolare le SRB, oppure se è più conveniente, dal punto di vista dell’impatto ambientale (o come soluzione generale), di concentrare
e di richiedere la presenza di più sistemi trasmissivi
sullo stesso sito, se non addirittura sullo stesso traliccio.
Finora per gli impianti di telefonia cellulare
(come il GSM) si è praticata la cosiddetta “attivazione intelligente” consistente in un insieme di
tecniche che, salvaguardando le esigenze della
qualità del servizio, minimizzano la potenza trasmessa (sia dalle SRB che dal terminale mobile)
in modo da: evitare interferenze tra celle vicine,
ridurre i consumi di potenza dei terminali mobili,
ridurre al minimo l’impatto ambientale e la potenza a radiofrequenza nei pressi della testa dell’utente. In pratica: 1) il canale radio viene attivato solo quando si intende comunicare; 2) la tecnica Power Control Downlink limita la potenza
emessa in dipendenza della distanza del telefono
cellulare dalla SRB; 3) la tecnica Discontinuous
Transmission (DTX) è in grado di riconoscere le
pause contenute nella conversazione e di silenziare
la trasmissione (e quindi ridurre la potenza e l’interferenza) durante questi brevi intervalli di tempo; 4) la tecnica Frequency Hopping che, utilizzando la diversità di frequenza e la diversità di
interferenza, diminuisce sia la probabilità di fast
fading (in quanto i burst costituenti le trame vocali vengono trasmessi su frequenze diverse) sia
la probabilità di caduta del collegamento in conseguenza di un basso rapporto segnale/rumore (in
quanto gli interferenti, variando da burst a burst,
non daranno luogo a rapporti C/I consecutivi bassi).
Lo sviluppo e l’impiego delle cosiddette “antenne intelligenti” (smart antenna system o
adaptive antenna array system) nelle reti cellulari
potrebbe offrire ulteriori vantaggi in quanto il loro
obiettivo è quello di aumentare contemporaneamente sia la capacità che la qualità delle comunicazioni. Ciò potrebbe essere ottenuto generando
un appropriato fascio avente guadagno massimo
nella direzione dell’utente in modo da poter confinare la trasmissione entro piccole aperture e quindi limitare sia la potenza del trasmettitore che le
interferenze. Lo stesso potrebbe realizzarsi per
l’antenna del telefono cellulare: se emettesse prevalentemente nella direzione dell’antenna radio
base si minimizzerebbe la frazione di energia EM
La Comunicazione - numero unico 2000
assorbita dalla testa dell’utilizzatore.
Questi tipi di antenne(AI), infatti, contrariamente ai radiatori omnidirezionali, emettono un
certo numero di fasci molto stretti (in modo da
coprire un determinato settore circolare) e sono
in grado di riconoscere ed inseguire il terminale
mobile per cui hanno la particolarità di trasmettere prevalentemente nella direzione riconosciuta
essere dell’utente. Si pensa, inoltre, di asservire
automaticamente la direttività dei fasci alle condizioni di rumorosità del canale radio impegnato
in modo da migliorarne il rapporto segnale/rumore. In pratica, queste antenne sono trattate come
filtri spaziali passa-banda i cui la banda passante
e la banda di stop sono create rispettivamente lungo le direzioni del segnale utile e dei segnali interferenti.
In generale, per ottenere elevate direttività
(in modo da concentrare la radiazione in angoli
stretti) si ricorre ad array di antenne opportunamente disposte ed alimentate: maggiore è il numero degli elementi e minore è l’apertura del fascio. In pratica, si realizzano antenne costituite
da schiere di radiatori identici, ugualmente orientati e distanziati e alimentati con ampiezze e fasi
opportune.
Le AI sono costituite da n elementi radianti
alimentati separatamente in modo da controllare
elettronicamente (e quindi variare rapidamente)
l’orientamento e la larghezza del fascio. Potrebbero utilizzarsi le antenne phased array costituite da dipoli il cui fascio radiato è dato dalla
sovrapposizione delle radiazioni dei singoli dipoli
e la cui direzione può essere variata agendo sulle
fasi relative del segnale applicato ad ogni dipolo
in modo da variare rapidamente sia l’azimuth che
l’elevazione del fascio radiato. L’orientamento e
la larghezza del fascio dipendono dall’ampiezza
e dalle fasi dell’alimentazione dei singoli elementi,
oltre che dai loro parametri geometrici. Il numero
N dei fasci che si possono formare sul piano
azimutale, essendo legato alla larghezza del fascio (diminuendo l’apertura aumenta N), viene
ad essere funzione della lunghezza d’onda utilizzata, del numero degli elementi radianti e della
distanza d tra di loro (in pratica, l’apertura del
fascio= k⋅λ/n⋅d, con k costante).
Lo studio delle antenne intelligenti a basso
impatto ambientale è ritenuto essere un argomento
molto promettente in quanto queste possono costituire una buona alternativa sia per ottimizzare
27
NOTE
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
Damiano Musella
NOTE
le emissioni EM per i sistemi radiomobili (compresi quelli di terza generazione) sia alla copertura microcellulare. Infatti, permettono di: 1) ridurre il campo irradiato (sia dalle SRB che dai telefoni cellulari); 2) limitare le interferenze; 3) ridurre
il numero dei siti, a parità di traffico, in ambienti a
scarso traffico, come quello rurale; 4) aumentare
la capacità a parità di siti, in ambienti a forte traffico, come quello metropolitano. Una volta identificate le soluzioni che sembrano essere più efficaci si procederà alla sperimentazione su fantocci
fino ad arrivare allo sviluppo di un prototipo. Per
la simulazione sarà utilizzata una libreria contenente sia le antenne che i fantocci (costituiti da
una soluzione salina la cui composizione dipende
dalla frequenza in gioco).
Un’altra soluzione proposta per la
minimizzazione della riduzione del CEM è quella
di migliorare la qualità della trasmissione mediante
opportune codifiche. Ciò permetterebbe di ridurre la potenza di trasmissione, senza compromettere la qualità del segnale. Si propone un’indagine conoscitiva su questo tipo di soluzione seguita
dallo sviluppo di programmi di simulazione con
relativi modelli e, infine, valutare quali margini di
miglioramento possono comportare le nuove tecniche di modulazione che siano potenzialmente
in grado di realizzare la stessa prestazione
qualitativa con un più basso CEM emesso.
Il quarto sottotema riguarda lo studio, la progettazione e la realizzazione di ambienti
elettromagneticamente puliti (ossia poco inquinati dai CEM), che possono risultare di particolare
importanza in taluni ambienti (tipicamente quello
ospedaliero). Ci si propone di realizzare il prototipo di un ambiente EM rispondente all’obiettivo di
avere un livello di inquinamento da CEM inferiore ad un valore prefissato e che faccia riferimento
agli standard di prodotto degli apparati
elettromedicali (che devono essere resistenti alle
interferenze fino a un determinato livello di CEM).
Ovviamente, il raggiungimento degli obiettivi prevede di mettere a punto delle metodologie di misure, di stime e di valutazione che consentono a
priori di realizzare degli ambienti EM puliti e/o
che possono essere mantenuti EM puliti nel momento in cui vengono riempiti di oggetti vari. In
taluni casi non si tratta di schermare semplicemente
l’ambiente ma di trovare soluzioni che, nel
contempo, consentono l’ingresso dei CEM voluti
28
(tlc).
Tema 4.1
a) Caratterizzazione interferenze in laboratorio e ambiente ospedaliero
b) Sviluppo pacemaker a elevata immunità
c) Protocolli per test EMC su apparati
elettromedicali
Tema 4.2
a) Schermatura campi magnetici a frequenza industriale
b) Sviluppo cavi a debole campo magnetico
c) Controllo e riduzione campi magnetici in
mezzi di trasporto
Tema 4.3
a) Codici per l’allocazione ottimizzata dei trasmettitori in ambito urbano ed in zone con più
trasmettitori
b) Antenne a basso SAR per radiotelefoni e
antenne adattative per stazioni base
c) Modelli analitici e programmi di simulazione per schemi di modulazione in grado di ridurre l’inquinamento EM
d) Criteri di progettazione per la creazione
di ambienti elettromagneticamente puliti
e) Valutazione di campo vicino per antenne
a cortine di dipoli
Tema 4.4
a) Metodologia di valutazione e riduzione
del rischio in presenza di sorgenti a radiofrequenza
in ambiente di ricerca e nelle applicazioni domestiche
b) Valutazione emissioni EM di azionamenti
elettrici per trazione veicolare
c) Strumenti e metodi per il rilievo dei campi EM entro i varchi
Linea di ricerca 5
Integrazione attività e disseminazione dei risultati
E’ essenzialmente una linea di coordinamento che si propone due obiettivi: a) integrare le attività del Progetto 5% con quelle della rete di laboratori cluster 13 del MURST in modo da potere
utilizzare costose risorse (soprattutto camere
anecoiche) già disponibili senza subire ulteriori
spese per il loro acquisto, b) disseminare i risulta-
La Comunicazione - numero unico 2000
IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
5. Sinergie
Sono possibili sinergie in campo nazionale
e internazionale in quanto i temi del Progetto trovano riscontro:
· nel V Programma quadro della Comunità
europea: c’è, per esempio, il I Programma tematico
“Qualità della vita” che è impegnato in tematiche
che sono riconducibili alla Linea 3 del Progetto, il
II Programma tematico “Promozione della società dell’informazione” che considera la possibilità
di sviluppare nuovi sistemi in cui l’impatto ambientale sia sufficientemente ridotto.
· nel Programma EMF dell’OMS relativo ai
possibili rischi sanitari prodotti dai CEM nel campo di frequenze che va da 0 Hz a 300 GHz eseguendo studi ed esperimenti soprattutto in vivo
ed in vitro
· in alcuni Progetti europei in corso, quali il
COST 244 bis (Effetti biologici dei CEM) e COST
261 (Compatibilità elettromagnetica di sistemi
complessi e distribuiti)
· con gli enti normatori, esempio il Cenelec
che sta preparando una serie di documenti relativi alla conformità dei prodotti (tra cui i telefoni
cellulari e le loro stazioni radio base) alle norme
di sicurezza per l’uomo
· con il Progetto nazionale Cluster 13 del
MURST, relativo alla Compatibilità elettromagnetica.
6. Il cluster 13 “Compatibilità elettromagnetica” e la sua rete di laboratori
Il Progetto cluster 13: “Compatibilità elettromagnetica” del MURST è uno dei 29 cluster
promanati dalla Legge 488/92 facente parte del
programma per il potenziamento delle reti di ricerca scientifica e tecnologica nelle aree economicamente depresse. Il Piano ha avuto origine circa tre anni e mezzo or sono allorché il Comitato
Tecnico Scientifico Aree Depresse provvide a esa-
La Comunicazione - numero unico 2000
minare le numerose proposte pervenute (780) e a
raccogliere la serie di progetti di ricerca selezionati (198) in 29 gruppi (o cluster) omogenei tra di
loro e rientranti all’interno di un unico piano nazionale. Il bando poneva un preciso vincolo circa
la possibilità di un soggetto attuatore di essere inserito in un cluster: doveva essere allocato all’interno di una zona definita dall’UE di Obiettivo 1
o 2 o 5b, in quanto la Legge 488 tratta le iniziative di sostegno di queste aree.
Scopo del Piano. E’ riconducibile a tre obiettivi, raggiungibili attraverso due tipologie di attività:
·creazione di un servizio funzionale al tessuto produttivo italiano
·sviluppo di ricerche, sia a carattere teorico
che sperimentale, incentrate sulla compatibilità
EM, ma limitatamente alla problematica dei sistemi di conversione di energia elettrica e dei sistemi
di trasporto.
I tre obiettivi sono i seguenti:
·realizzazione di una rete di laboratori di
compatibilità EM funzionale al tessuto produttivo, in particolare delle piccole e medie imprese,
differenziati per dislocazione territoriale, per
tipologia e per competenza, pur in una prospettiva di equilibrio a livello nazionale ed europeo.
Questo allo scopo di realizzare infrastrutture facilmente accessibili, di dotare il territorio di ciò
che ha effettivamente bisogno e di non creare inutili doppioni.
·sviluppo di ricerche sulla compatibilità EM
con la finalità dell’affidabilità, della sicurezza attiva e passiva dei sistemi suddetti (conversione
dell’energia e trasporti)
·incremento delle competenze e trasferimento delle conoscenze sulla compatibilità EM ai fini
dell’adeguamento normativo e dello sviluppo produttivo, soprattutto della piccola e media impresa.
La possibilità di collegamento del Progetto
cluster 13 con il Progetto 5% nasce dal fatto di
poter: 1) rendere possibile l’utilizzazione della rete
di laboratori suddetta (ed in particolare le camere
anecoiche) anche dai ricercatori che operano al-
29
NOTE
ti della ricerca (a tale scopo si prevede la creazione di un sito web e l’organizzazione di convegni,
sia riepilogativi e quindi di interesse generale, che
specialistici e quindi rivolti ai ricercatori dei vari
settori allo scopo di scambiare idee).
Damiano Musella
l’interno del Progetto 5%, 2) stabilire delle fattive
collaborazioni, 3) evitare l’acquisto di costosissime apparecchiature.
Ai fini della collaborazione appare particolarmente interessante il tema dei livelli di inquinamento EM a bordo dei sistemi di trasporto in
ambito ferroviario e metropolitano (con cui vi sono
chiari punti di contatto), oltre a quello relativo ai
problemi di compatibilità EM (pur presenti nel
Progetto 5%). D’altra parte, nel momento in cui
dovessimo rispettare sempre e ovunque le
direttive sulla compatibilità EM avremmo certamente già un sollievo per l’inquinamento EM e
viceversa, nel momento in cui rendessimo soddisfatti i requisiti delle disposizioni legislative sui
CEM in vigore in Italia.
NOTE
7. Ricadute
Questo progetto avrà delle ricadute sia in
campo normativo che industriale. In campo
normativo adesso è in discussione una legge a
livello nazionale al Senato sulla protezione dai
CEM. A livello industriale i progetti sono pensati
anche per rilanciare il settore produttivo (sviluppo della strumentazione di misura per le reti di
monitoraggio e controllo dell’impatto ambientale, sviluppo di metodologie per stabilire la conformità dei nuovi apparati alle norme di sicurezza, sviluppo di materiali e tecniche per la riduzione dell’impatto ambientale).
Per le società partecipanti, questa ricerca rappresenta un’occasione per rafforzare la loro presenza sul mercato in vista dei nuovi regolamenti
comunitari e nazionali.
8. Conclusioni
Il Progetto 5% trova le sue motivazioni soprattutto nella sensibilizzazione dell’opinione pubblica sul tema dell’inquinamento EM dovuto alla
proliferazione dei sistemi di tlc e nel fatto che lo
sviluppo sostenibile può essere fonte di sviluppo
per l’indotto nell’ambito delle applicazioni delle
tecnologie ambientali.
La popolazione, sensibile al problema dell’influenza dei CEM sull’uomo, chiede risposte
chiare ai molti dubbi, che peraltro affliggono la
stessa comunità scientifica, e non generiche assi-
30
curazioni. L’obiettivo complessivo della ricerca è
proprio quello di rispondere a interrogativi, proporre idee, tecnologie, materiali e soluzioni
ingegneristiche avanzate, o comunque delle procedure standard che possono valere uniformemente su tutto il territorio nazionale.
Le moderne tecnologie e il loro impiego produttivo stanno diventando sempre più potenti incidendo sempre più pesantemente sugli equilibri
ambientali e sulla salute, oltre che sui rapporti
socioeconomici e l’organizzazione del lavoro. Appare allora essenziale una politica ambientale
lungimirante, non disgiunta dallo sviluppo industriale, che miri al controllo, stabilisca degli indicatori della qualità dell’ambiente e che appronti
delle estese reti di monitoraggio gestite dagli enti
locali, ma coordinati da istituti centrali. In particolare, settori industriali come quelli del trasporto dell’energia elettrica e delle tlc devono essere
soggetti ad una regolamentazione chiara e valida
sull’intero territorio nazionale.
Si tratta di consentire lo sviluppo produttivo
e sociale (reso possibile proprio dalle moderne
tecnologie) tenendo presente soprattutto la salvaguardia dell’ambiente da possibili cause di inquinamento e mirando alla protezione sanitaria dell’uomo. Affinchè lo sviluppo produttivo possa
avvenire in parallelo con la salvaguardia dell’ambiente (ossia sanare i guasti provocati dalla tecnologia utilizzando la stessa tecnologia) è indispensabile che sin dalla fase di progettazione dei
nuovi sistemi vada tenuto in considerazione il problema dell’impatto ambientale e la sua valutazione.
Le misure hanno il pregio di avere un alto
grado di accettabilità nella popolazione perché
sono oggettive e quindi presentano un’immagine
non falsificabile della realtà. In effetti, l’impiego
della strumentazione spesso può rivelarsi un provvedimento ridondante in quanto era sufficiente (e
molto più economico) eseguire un semplice calcolo per determinare il livello del CEM presente
in un determinato punto; tuttavia, è facile capire
che il risultato di una misura sembra più certo di
un calcolo a priori. In ogni caso, la strumentazione
serve sia in fase di installazione dei nuovi impianti
che in fase di verifica.
Il sistema centrale di raccolta dati e
monitoraggio della distribuzione del campo EM
sul territorio, mirato alla protezione dell’uomo e
dell’ambiente dai CEM, deve fornire una visione
La Comunicazione - numero unico 2000
IL PROGETTO NAZIONALE DI RICERCA MURST/CNR-ENEA SU
“ SALVAGUARDIA DELL’UOMO E DELL’AMBIENTE DALLE EMISSIONI ELETTROMAGNETICHE”
(THE NATIONAL RESEARCH PROJECT MURST/CNR-ENEA ON
“THE PROTECTION OF THE HUMAN BEING AND ENVIRONMENT FROM ELECTROMAGNETIC POLLUTION”)
In definitiva, la disponibilità di uno strumento in grado di eseguire un pratico, efficiente, affidabile e capillare controllo (e quindi una
mappatura) dei campi EM nei dintorni delle sorgenti di emissione reca il vantaggio per gli enti
preposti di facilitarne i compiti derivanti dal de-
creto 381/98 e, nel contempo, ha l’effetto di tranquillizzare i cittadini residenti nelle vicinanze degli impianti ritenuti più pericolosi.
Lo stanziamento non ricchissimo, la scelta
di trattare tutti gli aspetti della problematica inerente i CEM e la presenza di un grande numero di
unità di ricerca rende evidente il fatto che ci troviamo in presenza di un finanziamento troppo diluito: è il prezzo pagato per ottenere una visione
generale ed una unità di trattamento dei vari argomenti. Ma, al di là di questa critica, resta il fatto
che il Progetto 5% presenta un programma di largo respiro, approccia correttamente i problemi in
un quadro coordinato e ben strutturato di ricerca
nel campo della protezione dell’uomo e dell’ambiente dai CEM.
Glossario dei termini
ARPA
(Agenzia Regionale per la Protezione dell’Ambiente)
CNR
(Consiglio Nazionale delle Ricerche)
CNR- IMS
(Istituto di Medicina Sperimentale) di Roma
CNR-CESPA
(Centro Studi Propagazione e Antenne) di Torino
CNR-CSIB
(Centro Studi di Ingegneria Biomedica) di Milano
CNR-CSITE
(Centro di Studio per l’Informatica e i Sistemi di
Telecomunicazioni), Bologna
CNR-GNRETE
(Gruppo Nazionale di Ricerca sull’Elettronica, le
Telecomunicazioni e l’Elettromagnetismo) di
Roma
CNR-IRECE
(Istituto di Ricerca per l’Elettromagnetismo e i
Componenti Elettronici) di Napoli
CNR-IROE
(Istituto di Ricerca sulle Onde Elettromagnetiche)
di Firenze
CNR-ITBA
(Istituto Tecnologie Biomediche Avanzate) di Mi-
La Comunicazione - numero unico 2000
lano
CSELT
(Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni) di
Torino
ENEA
(Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente)
ENEA-HPCN
(Progetto Interdipartimentale)
ICEMB
(Centro interuniversitario sull’interazione tra campi EM e sistemi biologici)
IDS
(Ingegneria Dei Sistemi) di Pisa
IENGF
(Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris)
di Torino
INFN
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
IRST
(Istituto per la Ricerca Scientifica e Tecnologica)
di Trento
ISS
(Istituto Superiore di Sanità)
MURST
(Ministero dell’Università e della Ricerca Scientifica e Tecnologica)
31
NOTE
globale e omogenea tale da consentire agli enti
territoriali (in primo luogo ai Comuni) la pianificazione della distribuzione ottimale delle sorgenti (nuovi siti) sul territorio. In pratica, deve rendere disponibile, alle persone preposte (a chi deve
prendere decisioni, a chi ha compiti di gestione e
controllo del territorio, a chi ha compiti di responsabilità nei confronti della popolazione) una mappa realistica dei livelli di CEM presenti.
Damiano Musella
NOTE
Bibliografia
[1] Legge 29 marzo 1995, N. 95 recante Disposizioni urgenti per la ripresa delle attività
inprenditoriali, pubblicata nella Gazzetta Ufficiale
n. 77 del 1° aprile 1995.
[2] Decreto MURST 4 novembre 1997, n. 645
Piani di potenziamento della rete scientifica e tecnologica nelle aree depresse, pubblicato nella
Gazzetta Ufficiale n. 9 del 13 gennaio 1998.
[3] Decreto MURST 16 dicembre 1997
Individuazione dei settori di rilevante interesse,
per l’anno finanziario 1997, per lo sviluppo del
sistema nazionale della ricerca, pubblicato nella
Gazzetta Ufficiale n. 32 del 9 febbraio 1998.
[4] D.P.C.M. 23 aprile 1992 Limiti massimi
di esposizione ai campi elettrico e magnetico generati alla frequenza industriale nominale (50 Hz)
negli ambienti abitativi e nell’ambiente esterno,
pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 104 del 6
maggio 1992.
[5] Decreto del Ministero dell’ambiente 10
settembre 1998, n. 381 Regolamento recante norme per la determinazione dei tetti di
radiofrequenza compatibili con la salute umana
pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 257 del 3
novembre 1998 - Serie generale.
[6] Proposta del Disegno di Legge n. 4816
Legge quadro sulla protezione dalle esposizioni
ai campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici.
[7] ICNIRP Guidelines for limiting exposure
to time-varying electric, magnetic, and
electromagnetic fields (up to 300 GHz), Health
Physics, April 1998, Volume 74, Number 4.
[8] IEC TC85/214/CD Measurement and
32
evaluation of high frequency (9 kHz to 300 GHz)
electromagnetic fields with regard to human
exposure, 2000/10/06.
[9] CEI Progetto C. 735 Guida per la misura
e per la valutazione di campi elettromagnetici nell’intervallo di frequenza compresa tra 10 kHz e
300 GHz, pubblicata nel 1999.
[10] G. Franceschetti: Lezioni di campi elettromagnetici e circuiti. Quaderno N.4: Antenne,
Pironti
[11] G. Markov: Antennas, Progress
Publishers, Moscow.
[12] A. Colamonico: Antenne intelligenti
nelle reti cellulari GSM, Alta Frequenza, Vol. 8, n.
4, Luglio-Agosto 1996
[13] M.F. Càtedra, J. Pérez, F. Saez de Adana,
o. Gutierrez: Efficient Ray-Tracking techniques
for three-dimensional analyses of propagation in
mobile communications: application to picocell
and microcell scenarios , IEEE Antennas and
Propagation Magazine, Vol. 40, No. 2, April 1998.
[14] Ministero delle comunicazioni, DGRQS,
Div.II: Risultati della pubblica consultazione per
l’introduzione in Italia dei sistemi di comunicazioni mobili di 3a generazione
[15] D. Musella: Inquinamento elettromagnetico. I tetti di radiofrequenza compatibili con
la salute umana, La Comunicazione - Note, Recensioni & Notizie, Volumi XLVII-XLVIII, Anni
1998-1999, pag. 49.
[16] D. Musella: Inquinamento elettromagnetico. Obiettivi di qualità, Giornate di studio
INPRAT, 13-14 maggio 1999 presso ISPESL Roma
La Comunicazione - numero unico 2000