“… Ma sedendo e mirando, interminati
spazi di là da quella, e sovrumani silenzi,
e profondissima quiete io nel pensier mi
fingo; …”
Giacomo Leopardi, L’infinito.

Chi di noi non ha pensato almeno una volta agli spazi sconfinati dell’Universo, al mistero celato al di là del conosciuto, al desiderio di visitare spazi lontani ed inesplorati?
È per questo che abbiamo dato forma ad un sogno realizzando, a scuola, un percorso chiamato Infinity1 – Viaggio nello spazio –  che ci ha portato al di là del nostro ultimo orizzonte.
Tutto ha avuto inizio nelle aule del Liceo Scientifico “Enrico Medi” di Montegiorgio (FM). Erano gli ultimi giorni dell’anno scolastico 2021/22, quando il prof. Vallorani ha presentato alle classi un’idea di progetto per formare, su base volontaria, un team di aspiranti esploratori.
Da quel giorno il progetto ha iniziato a respirare e crescere. Composto un gruppo di 19 studenti, si sono fissati gli obiettivi e si è iniziato a lavorare assiduamente per preparare la strumentazione necessaria. I lavori sono proseguiti ininterrottamente tra Giugno e Ottobre fino a quando non è arrivato il tanto atteso giorno del lancio. Il 3 novembre 2022, dal comune di San Gemini (TR) abbiamo lanciato la sonda Infinity1 recuperandola nello stesso giorno a 150 Km di distanza, ai confini del Parco Nazionale della Maiella nel territorio di Bocca di Valle (CH). Un mese dopo, il 17 dicembre, l’esperienza si è conclusa con un convegno di presentazione presso l’aula magna del nostro istituto con diversi ospiti d’eccezione: l’astronauta R. Vittori, il colonnello G. Filippo e il direttore M. Marcheggiani dell’ARPA Marche Sud. Pensavamo fosse finita qua, invece il progetto aveva ancora in serbo delle sorprese. Avendo inviato il lavoro al contest Insegnare con lo spazio, il team dell’Infinity1 è stato premiato a marzo di quest’anno, insieme ad altri validi progetti scolastici, direttamente dall’astronauta Samantha Cristoforetti durante il convegno “Verso lo spazio con Samantha”. In questo articolo vogliamo ripercorrere le tappe principali del nostro lavoro spiegando cosa è stato fatto e soprattutto come si è arrivati a completare un progetto sulla carta complesso per quelle che sono le risorse a disposizione di un istituto scolastico. Per approfondire i dettagli tecnici e le procedure realizzative presentate nell’articolo si invita il lettore alla consultazione del sito web infinity1. vallorani.org. 

Obiettivi

Precisiamo sin da subito che il progetto nasce come attività didattica per alunni di scuola superiore quindi gli obiettivi sono stati calibrati in modo da favorire la buona riuscita sia dell’attività sperimentale e di ricerca sia dell’aspetto didattico e di formazione personale dei discenti.

Progetti di questo tipo sono eccellenti laboratori di formazione in cui sperimentare il lavoro in team, l’applicazione del metodo scientifico, la creatività ed il pensiero logico. Per questo motivo le attività sono state pensate in modo da porre gli studenti di fronte a compiti di realtà : sfidarli ad ideare proprie strategie risolutive lavorando di squadra. In didattica, tutto ciò rappresenta un valore aggiunto in quanto permette di uscire dai binari classici dell’insegnamento e preparare al meglio lo studente anche su competenze trasversali soft skill difficilmente potenziabili con un approccio tradizionale.

Ritornando agli obiettivi specifici del progetto, il tutto è nato dal desiderio di realizzare un’attività interdisciplinare che legasse i saperi umanistici con quelli scientifici. Il tema dell’infinito, che nel percorso liceale ritorna continuamente e viene studiato in quasi tutte le discipline, ci è sembrato sin da subito il filo conduttore ideale per costruire un lavoro in grado di coinvolgere ed emozionare gli studenti. Un concetto, quello dell’infinito, che ci porta naturalmente ad alzare lo sguardo verso il cielo e poi oltre, verso gli spazi immensi dell’Universo. E per staccare i piedi da terra, non solo con l’immaginazione, si è pensato allora ad uno strumento ampiamente conosciuto ma al tempo stesso ancora affascinante quale è il pallone aerostatico. Documentandoci in Internet, ci siamo resi conto che sarebbe stata una soluzione alla nostra portata sia per il budget che per le capacità tecniche richieste.

All’emozione del volo bisognava però unire un valido esperimento scientifico ed è per questo che si è pensato di realizzare uno strumento in grado di eseguire delle misurazioni durante il percorso del pallone. Con il prezioso aiuto del prof. Ettore Antolini la scelta è ricaduta sulla misurazione dei gas serra presenti nell’atmosfera. Per gas serra si intendono tutti quei gas, sia naturali che di origine antropica, considerati responsabili dell’effetto serra. In particolare, si è scelto di misurare le concentrazioni di anidride carbonica (CO2), monossido di azoto (NO), biossido di azoto (N2O), metano (CH4) e di ozono (O3) a vari livelli di altitudine per poterli poi confrontare con i dati ufficiali pubblicati dal CNR e studiarne così la presenza in atmosfera e l’incidenza nel fenomeno del riscaldamento globale. Naturalmente l’obiettivo delle misurazioni è stato quello di raccogliere dati per uno studio didattico dell’argomento con la consapevolezza che essi provengono da una strumentazione non professionale e sono limitati nel tempo e nello spazio. Per chi volesse visionarli, sono disponibili nel sito del progetto sottoforma di open-data. Li abbiamo condivisi con la speranza che possano essere di utilità anche per altri esperimenti scientifici, ad esempio come base di confronto per ulteriori rilevazioni.

La sonda

Costruire la sonda è stata l’attività centrale del progetto su cui abbiamo investito più tempo ed energie. In particolare, gli sforzi si sono profusi nel realizzare il circuito per la rilevazione dei gas serra. Per le altre componenti (telecamera, GPS tracker, rilevatore di altitudine) ci siamo, invece, affidati a prodotti già testati e facilmente reperibili sul mercato. Come involucro esterno è stato scelto un contenitore in polistirene (meglio conosciuto come polistirolo) delle dimensioni di 22x22x18cm a cui sono state fissate due ali disposte in verticale per stabilizzarne il volo.

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La prima sfida da superare è stata quella di assemblare il tutto rimanendo nel peso limite di 800g (carico massimo che il modello di pallone è in grado di trasportare). In un primo prototipo di sonda, nonostante le dovute accortezze, abbiamo sforato la soglia di oltre 200g costringendoci a ripensare alle scelte fatte ed individuare le parti da eliminare. Decisione non semplice perché qualsiasi componente già inserito rivestiva un ruolo chiave. A malincuore, non potendo fare a meno dei dispositivi per le riprese e la localizzazione, si è presa la decisione di eliminare parte del circuito per la rilevazione dei gas serra. Dei previsti cinque sensori alla fine ne sono stati montati solo due (CO2 ed Ozono), gli altri tre, sebbene testati e pronti per l’installazione sono dovuti rimanere a terra. Si riporta, di seguito, la lista dei componenti alla fine montati e il relativo peso:

Nota: le pile sono AA e da 9V al litio in grado di funzionare correttamente
anche in condizione estreme di temperatura.

I componenti sono stati alloggiati nella sonda in modo da garantire la stabilità degli stessi e in modo da bilanciare il peso in tutti gli angoli dell’involucro (una distribuzione non uniforme del peso può modificare la traiettoria di volo o accentuare la rotazione). Nelle pareti laterali sono stati eseguiti in totale 3 fori: uno per l’obiettivo della camera e due per i sensori. Dopo aver alloggiato le componenti nei fori, si è provveduto ad isolare l’involucro con del silicone. Le ali e il coperchio sono stati fissati tramite nastro telato. Il circuito è stato realizzato tramite hardware Arduino e programmato in linguaggio C++. Schema elettrico e codice sorgente possono essere consultati all’indirizzo: infinity1.vallorani.org/infinity1.

Elenco dei componenti utilizzati:

• SCHEDA ARDUINO UNO REV.3
• SD CARD READER
• BATTERIA AL LITIO 9V
• SENSORI DI GAS MQ131 E MQ135
• FILI E CONNETTORI PER IL CABLAGGIO
• SENSORE DI PRESSIONE BMP280
• SENSORE DI UMIDITÀ E TEMPERATURA DHT20
• DISPLAY OLED

Ulteriori sensori previsti e non inclusi:  SENSORI DI GAS MQ4, MQ7, MG811

La realizzazione del circuito richiede conoscenze di base di elettronica e di programmazione per comandare il processore Arduino. L’accensione e la calibrazione dei sensori è l’aspetto a cui bisogna prestare maggiore attenzione. Alla prima accensione, i sensori devono essere lasciati attivi per almeno 72 ore prima di poter produrre dati attendibili. Successivamente devono essere calibrati tramite l’utilizzo di strumenti già tarati con cui confrontare i valori misurati. Nelle successive accensioni è sufficiente un riscaldamento di almeno 90 minuti. È necessario inoltre calcolare il consumo energetico del circuito in modo da accertarsi che la batteria possa alimentare l’hardware per tutta la durata del volo. I limiti di peso hanno condizionato la scelta del montaggio di una sola batteria da 1.200 mAh. Conoscendo la capacità e il consumo medio di ogni singolo componente è possibile prevedere la durata della batteria tramite la formula:

Un consumo stimato di circa 430 mA così ripartito:

E di conseguenza una durata della batteria di:

Il calcolo è risultato corretto e i consumi registrati nella scheda SD per tutta la durata del volo (circa 160 minuti) e per qualche minuto dopo la caduta. L’aggiunta gli altri sensori avrebbe causato un aumento di consumo e sarebbero state necessarie altre due batterie da 9V.

Il Pallone

Il gonfiaggio del pallone è una delle fasi più importanti e delicate del lancio in quanto il verificarsi di un errore dovuto ad un calcolo errato o ad una disattenzione operativa può compromettere il decollo della sonda o causare lo scoppio ad una quota molto diversa da quella attesa. Come prima attività bisogna procedere, in laboratorio, a calcolare la quantità di gas elio da reperire per il gonfiaggio. Per farlo bisogna conoscere il volume di gas con cui dovrà essere gonfiato il pallone, valori in genere forniti dal produttore, e i valori di stoccaggio del gas nelle bombole acquistate. Nel nostro caso, il pallone di Infinity1 doveva essere gonfiato ad un volume pari a circa 3.100 litri di gas elio mentre le bombole, acquistate presso un rivenditore locale, ne contenevano 14 litri stoccati alla pressione di 200 atm con temperatura di 25°C. Applichiamo a questo punto una semplice equazione per capire quanto volume di gas sviluppa effettivamente ogni bombola:

I calcoli dovranno comunque poi essere rivisti il giorno del lancio in quanto il quantitativo di gas da prelevare in maniera esatta dalla bombola dipenderà dai valori di temperatura e pressione rilevati nel luogo delle operazioni. Nella tabella sottostante si riportano i dati reali utilizzati.

Inseriamo i dati a nostra disposizione nella formula:

ed otteniamo che:

 sappiamo quindi che ogni bombola da 14 litri sviluppa 2.105 litri, pertanto usando la proporzione:

χ≈20,6 litri otteniamo che sono necessari 20,6 litri di gas in bombola. Nel nostro caso abbiamo infatti utilizzato una bombola per intero e una seconda solo in parte. Il flusso del gas usato è stato determinato usando un manometro a doppia lettura con un margine d’errore di ± il 10% in funzione della T.

Dal valore del gas erogato possiamo stimare il volume del pallone al momento dello scoppio (ricordiamo che l’esplosione si verifica quando il valore della pressione interna del gas presente nel pallone diventa maggiore del valore della pressione atmosferica all’esterno). Per farlo approssimiamo il pallone ad una sfera

e prendiamo in considerazione il punto di rottura del lattice con cui è stato costruito il nostro pallone (il valore riportato in scheda ^[1] è di 7,5 m di diametro). In base a ciò avremo che:

^[1] Weather Balloon 800 – https://www.stratoflights.com/en/shop/weather-balloon-800/

Conoscendo adesso il volume presunto al momento dello scoppio possiamo ricavare la pressione esterna tramite la formula  e otteniamo quindi:

Possiamo stimare la pressione al momento dello scoppio anche attraverso la formula

(dove P₀ è la pressione in atm a livello del mare e h la quota di scoppio in km).

Applicando questa seconda formula, sapendo che il pallone è scoppiato ad un’altitudine 28.073m in base ai dati del GPS, otteniamo che:

Il sensore di pressione presente a bordo della sonda ha invece rilevato, al momento dello scoppio, un valore di  2012pa≈0.02atm. Tale valore si attesta come valore intermedio tra le due stime. Utilizzando il valore di 0,02 atm e applicando inversamente le formule precedenti possiamo ricavare come valore del diametro del pallone al momento

Inserendo il dato 0,02 atm e applicando inversamente le formule precedenti possiamo ricavare il diametro del pallone al momento dello scoppio pari a 6,6 m. Una cifra inferiore alle stime del produttore ma le cause dello scostamento possono essere individuate in vari fattori fra cui: variazioni termiche, difetti di fabbricazione, errori nel gonfiaggio, errore di misurazione.

Tuttavia, a nostro avviso il più plausibile resta un difetto di fabbricazione, il sospetto nasce perché il pallone è stato recuperato integro con un unico squarcio su di un lato mentre in una situazione normale il pallone sarebbe dovuto esplode uniformemente e per poi recuperarlo in brandelli. Non è da escludere un cedimento anticipato quindi di una sezione del materiale.

Lancio e recupero

Il lancio della sonda è stato effettuato il 3 novembre 2023 alle ore 12:48 da un’area rurale nei pressi del comune di San Gemini in provincia di Terni. Per poter lanciare un pallone aerostatico è necessario richiedere apposita autorizzazione di volo all’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile (ENAC). Le coordinate esatte del luogo devono essere comunicate alle autorità competenti (nel nostro caso la sede ENAC di Ancona) almeno 45 giorni prima della data prevista, quindi, non è possibile avere alcuna certezza sulle condizioni meteo che si andranno a trovare.

Abbiamo identificato questa località come la più adeguata dopo aver svolto un buon numero di simulazioni tramite il software online predict.sondehub.org . Le condizioni dei venti sono estremamente variabili di giorno in giorno, quindi, è bene optare per una zona che possa ridurre al minimo una possibile ricaduta in mare della sonda. Le operazioni preliminari al lancio hanno richiesto circa due ore e mezza di tempo. Devono essere svolte nel giusto ordine e con l’esatta coordinazione. Ogni studente, possiamo scriverlo con soddisfazione, ha partecipato con attenzione e maturità nel rispetto dei compiti assegnati. Un approccio che ha permesso di completare il lancio con successo e nei tempi previsti. Il tutto è stato trasmesso in diretta streaming grazie al lavoro e alla bravura di un gruppo di alunni che ha svolto riprese, interviste e commenti live permettendo di seguire da casa tutte le fasi del lancio. Il contatore del canale ha registrato circa 1.000 accessi contemporanei alla diretta.

Il tutto è stato trasmesso in diretta streaming grazie al lavoro e alla bravura di un gruppo di alunni che ha svolto riprese, interviste e commenti live permettendo di seguire da casa tutte le fasi del lancio. Il contatore del canale ha registrato circa 1.000 accessi contemporanei alla diretta.

Tra le fasi più importanti e delicate ricordiamo: il gonfiaggio del pallone che richiede circa un’ora di tempo, il riscaldamento dei sensori della sonda (almeno 90 minuti), il controllo finale di tutta la strumentazione prima di sigillare l’involucro esterno, il fissaggio con corda del pallone al paracadute e a sua volta del paracadute alla sonda. Il pallone aerostatico è stato fatto salire gradualmente tramite il supporto di una corda supplementare che ci ha permesso di controllarne il movimento nei primi metri di volo. Una volta stabilizzato in aria è stato definitivamente lasciato libero di volare accompagnato dagli applausi e la gioia di tutti noi presenti. Poi l’entusiasmo dei primi momenti ha lasciato posto alla preoccupazione non appena la sonda è scomparsa alla vista dei nostri occhi. Abbiamo potuto seguirne la traiettoria nei primi 20 minuti di volo fino a quando anche il localizzatore GPS ha smesso di comunicare la posizione. Il segnale è ricomparso dopo 90 interminabili minuti di silenzio intorno alle 14:40. Ne abbiamo seguito gli spostamenti fino alla sua caduta avvenuta alle ore 15:29, dopo circa 160 minuti di volo. La squadra di recupero, composta da un professore ed alcuni alunni, appena concluso il lancio si è immediatamente diretta verso il luogo presunto di caduta. La traiettoria reale è stata molto simile a quella simulata e il punto di atterraggio è avvenuto solo 40 km più a sud rispetto a quello previsto. La sonda è stata recuperata all’imbrunire intorno alle ore 17:00, nel territorio del comune di Rocca di Valle in provincia di Chieti (in linea d’aria 157 km dal luogo di lancio). Nell’ultimo tratto di discesa la sonda ha sorvolato il Parco Nazionale della Maiella completando il suo volo proprio all’estremità del parco, in una zona, per nostra fortuna, abbastanza facile da raggiungere.

Analisi dei dati

Una volta recuperata la sonda e con essa i dati acquisiti è iniziata la seconda fase del progetto. Un gruppo si è occupato del montaggio video estrapolando le riprese e gli scatti più suggestivi catturati dall’obiettivo della telecamera. Un altro gruppo ha lavorato sulla lettura e l’analisi dei dati. Il file completo, con tutte le misurazioni raccolte è scaricabile dalla pagina infinity1. vallorani.org/dati-raccolti. Tramite uno script Python abbiamo eseguito il merge dei dati raccolti dal GPS e dal circuito Arduino creando un unico file CSV. Il file, composto da 4846 righe e 15 colonne, contiene tutte le misurazioni eseguite ad intervalli regolari di 2 secondi. Tabella con alcuni dati estrapolati dal file CSV:

Partendo dal file e attraverso dei fogli di calcolo, gli studenti hanno estrapolato diversi grafici di cui il lettore può trovare degli esempi a seguire.

Successivamente attraverso la guida dell’insegnante, la lettura dei grafici è stata poi lo spunto per eseguire ulteriori lavori di approfondimento sul clima e i cambiamenti climatici.

Dal grafico delle temperature gli studenti hanno potuto verificare come il minimo sia stato raggiunto tra i 10 e i 15 km. Altitudine alla quale la sonda ha attraversato la tropopausa ovvero lo strato di atmosfera che separa la troposfera dalla stratosfera.

Il grafico sui valori di Ozono e Anidride Carbonica è stato posto a confronto con i dati pubblicati dal CNR e da diversi altri centri di ricerca internazionali, evidenziando come i dati raccolti sono in linea con quelli dei centri di monitoraggio ufficiali.

Sulla base dello studio dei sistemi (studio delle componenti e delle emergenze) gli studenti hanno anche realizzato diversi modelli attraverso i quali interpretare e verificare i valori dei dati raccolti applicando modifiche alle variabili.

Tra le attività di approfondimento, citiamo lo sviluppo di uno spettrofotometro in grado di misurare l’intensità della luce assorbita da un determinato gas.

Utilizzando il tubicino laterale è possibile inserire la soluzione campione all’interno dello strumento e ricavare così, tramite la lettura del valore di energia prodotta dal pannello solare, la quantità di luce assorbita o riflessa dallo specifico gas analizzato.

Pianificazione e replicabilità del progetto

Per chi volesse replicare il progetto, sono diversi gli aspetti di cui tener conto e da pianificare. In primis è necessario prevedere un monte ore importante da distribuire su più mesi. Nel nostro caso sono state necessarie circa 100 ore di lavoro: 60 per le attività di preparazione del lancio (progettazione, formazione studenti, sviluppo, testing) distribuite su tre mesi, un’intera giornata per il lancio e il recupero della sonda, circa 30 ore distribuite in un mese e mezzo per le attività post-lancio (elaborazione dati, sviluppo foto, montaggio video, preparazione convegno). Come in qualsiasi progetto, va pianificato il budget di spesa. Premesso che i costi possono variare in base ai materiali e ai componenti scelti, è bene prevedere un budget di almeno 2.000€. Nel nostro caso il costo totale è stato di circa 2.500€, così ripartito:

• Componenti elettronici (rilevamento gas, tracciamento, riprese video): 1000 €
• Materiali di volo (pallone aerostatico, paracadute, accessori di assemblaggio): 300 €
• Gas Elio, affitto bombole, manometro: 450 €
• Permessi di volo: 0 € (gratuito per gli istituti scolastici, altrimenti 94 €). Necessario comunque informare, come indicato nel portale dell’ENAC, la direzione aeroportuale di competenza (modulo ATM-05A)
• Altre spese: 800€ (pullman, materiali di consumo, sviluppo foto, ecc.)

Un ulteriore aspetto da tenere in considerazione in fase di progettazione è il know-how necessario per gli studenti e per gli insegnanti coinvolti. Sebbene le fasi del progetto siano facilmente replicabili, si consiglia una conoscenza di base su diversi ambiti specifici in modo da saper fronteggiare eventuali imprevisti e problemi tecnici che potrebbero insorgere in corso d’opera. Le attività di studio sui gas, coordinate dal docente  di Biologia, hanno richiesto conoscenze in materia ambientale e di chimica, nonché competenze per la raccolta dei dati e l’utilizzo di software per la relativa analisi mentre le attività di costruzione della sonda, coordinate dal docente di Informatica, hanno attinto a competenze tecniche in assemblaggio di circuiti elettronici, programmazione C++ per Arduino, editing video, web publishing.

Conclusioni

Sperando che il lettore abbia trovato di interesse il racconto della nostra esperienza e i contenuti proposti, ci teniamo a concludere da dove eravamo partiti: dal desiderio di scoperta insito nella natura umana. Scoprire, sperimentare, collaborare ed anche emozionarsi sono stati i punti di forza del progetto. Le risorse che la scuola è riuscita ad intercettare ci hanno permesso di lavorare nelle migliori condizioni possibili, e di questo non possiamo che ringraziare la dirigente prof.ssa Laura D’Ignazi e il suo staff, in particolare nella persona della Prof. ssa Chiara Vitali che si è occupata di amministrare le risorse economiche, organizzare il Convegno, intrattenere i rapporti con l’ASI e accompagnare l’esecuzione del progetto. Al tempo stesso però, un grande applauso va agli studenti. Abbiamo avuto la fortuna di trovare un gruppo di ragazzi appassionati e disposti a mettersi in gioco che hanno vissuto l’esperienza con coinvolgimento ed entusiasmo. Volevamo dare loro un’opportunità nuova di apprendimento che è stata accolta ed apprezzata. Ed infine io, insegnante, al termine di tutto questo percorso mi chiedo quanto sia stato importante il mio contributo. Con i colleghi, che ancora una volta ringrazio, ci siamo spesi in prima persona e abbiamo dato sicuramente il nostro apporto professionale ma forse, pensandoci bene, il punto di forza è stato quello di aiutare i ragazzi a realizzare ciò che avremmo voluto vivere noi stessi da studenti.

Il team di INFINITY1 prof. Ettore Antolini, prof. Andrea Vallorani, prof.ssa Chiara Vitali, Hamza AitBourryal, AssyaAdnani, Amina Barboucha, ZinebBarboucha, Nesrine Ben Houici, Michele Berdini, Iacopo Bucci, Mattia Cruciani, Lorenzo De Minicis, Daniela Dragut, Alessia Galli, Gaia Giarelli, Jacopo Luciani, Jennifer Marzialetti, Alice Narcisi, Alessio Romagnoli, Alessandro Tiburzi, TommasoSantucci, Tommaso Santoni.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 262 VERSIONE CARTACEA