News Archive - 2025

Perché volete condurre le vostre ricerche in un luogo remoto come il BedrettoLab?

Il laboratorio di fisica che vorremmo istituire all’interno del BedrettoLab è un’estensione dei nostri laboratori. Nella fisica delle particelle, una delle maggiori sfide alle quali dobbiamo far fronte è costituita dalla radioattività proveniente dall’atmosfera. Immaginate una costante pioggia di muoni, particelle che fanno parte della radiazione cosmica, che pervade ogni cosa: i nostri corpi, gli edifici, l’attrezzatura. I muoni possono interagire con i materiali e creare una radiazione di fondo mediante diversi effetti secondari, come la spallazione o la produzione di neutroni. Gli strumenti usati per le ricerche sulla materia oscura sono estremamente sensibili a questo tipo di radiazione, per cui è necessario cercare degli spazi protetti. È questo il motivo principale per cui molte delle nostre attività di ricerca e sviluppo – non solo gli esperimenti veri e propri, ma anche la costruzione e il collaudo della strumentazione – si svolgono in strutture sotterranee..
Da questo punto di vista il BedrettoLab è perfetto. Dista appena due ore da Zurigo, per cui si raggiunge facilmente. Sovrastati da 1,5 km di granito, siamo riparati da gran parte della radiazione cosmica. Inoltre, il laboratorio è già ben attrezzato, il che è un ottimo punto di partenza.

Uno dei più importanti ambiti della vostra ricerca è la materia oscura. Può spiegarci brevemente di cosa si tratta?

Dalle osservazioni astronomiche e astrofisiche, sappiamo che nell’universo esiste una quantità di materia circa cinque volte superiore a quella che riusciamo attualmente a vedere. In altre parole, gran parte della materia dell’universo è invisibile, non possiamo vederla né toccarla, ma sappiamo che esiste per i suoi effetti gravitazionali su stelle e galassie.
Il comportamento della materia oscura fa pensare che si tratti di un nuovo tipo di particella, che tuttavia non abbiamo ancora rilevato direttamente, e di cui non conosciamo ancora la massa.
Il nostro auspicio è di riuscire a rilevare con i nostri strumenti una collisione tra una particella di materia oscura e la materia ordinaria. Questa provocherebbe un piccolo lampo di luce e/o una piccola carica che i nostri rilevatori potrebbero misurare.

Prevede di rilevare una collisione di questo tipo una volta installata l’attrezzatura nel BedrettoLab?

È improbabile registrare una collisione del genere in questa sede, semplicemente perché servirebbero rilevatori di particelle di grandi dimensioni. Nel BedrettoLab abbiamo in programma lo sviluppo di nuove tecniche che useremo in un secondo momento in rilevatori più grandi, oltre all’esecuzione di misurazioni protette dai raggi cosmici che ci aiuteranno a migliorare i rilevatori. Detto questo, la nostra visione a lungo termine per il BedrettoLab prevede anche una strumentazione che, in linea di principio, potrebbe rilevare particelle come quelle della materia oscura.

Potrebbe spiegarci i vostri progetti di sviluppo della ricerca nel campo della fisica fondamentale presso il BedrettoLab?

Abbiamo già iniziato le prime misurazioni nel BedrettoLab finalizzate a comprenderne l’ambiente in termini di fisica fondamentale. Queste attività includono il rilevamento di campi di radiazioni, interferenza elettromagnetica e vibrazioni. Per le vibrazioni ci stiamo avvalendo dei dati degli strumenti sismologici già presenti.
Il passaggio successivo consiste nella creazione di una “camera bianca” al metro 3500 dall’ingresso del tunnel. Questa aprirà molteplici possibilità per esperimenti di fisica fondamentale. Nella prima fase installeremo un contatore di radiazioni ad alta purezza per misurare e vagliare i materiali da usare nei rilevatori di materia oscura e nei rivelatori di neutrini, e per realizzare analisi isotpiche precise, utilizzabile anche per esaminare il contenuto radioattivo dei campioni di suolo e acqua.
Successivamente, vorremmo aggiungere un refrigeratore a diluizione, che potenzialmente ci consentirebbe di rilevare la materia oscura anche senza attrezzature di grandi dimensioni. Tale dispositivo funziona a temperature prossime allo zero assoluto, e pertanto è in grado di azionare sensori quantistici ultrasensibili capaci di rilevare segnali minimi da particelle rare.
Un refrigeratore a diluizione di questo genere è raro nei laboratori sotterranei, quindi sarebbe del tutto speciale. In generale, sono davvero colpito dal BedrettoLab e molto ottimista sulla possibilità di realizzarvi un laboratorio di fisica fondamentale unico nel suo genere.

Maggiori informazioni sulla ricerca di Björn Penning presso il BedrettoLab sono disponibili qui.

L’ETH di Zurigo ha costruito una galleria laterale lunga 120 metri presso il BedrettoLab, una struttura di ricerca sotterranea in Ticino (Svizzera). Il nuovo tunnel si sviluppa parallelamente a una zona di faglia naturale accuratamente selezionata. Grazie a questa posizione scelta appositamente, i ricercatori possono studiare in dettaglio come un terremoto si forma in un determinato punto di una faglia e come si propaga lungo di essa fino a esaurire la propria energia. Usando un’attrezzatura specializzata, il consorzio di ricerca europeo studia in che modo si muovono le faglie, al fine di comprendere meglio i terremoti, e potenzialmente, di riuscire a prevederli. L’iniziativa è promossa dal progetto FEAR (Fault Activation and Earthquake Rupture), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca con 14 milioni di euro e finalizzato a dare una risposta a due dei quesiti più importanti e irrisolti della sismologia: cosa accade poco prima dell’inizio di un terremoto? E cosa ne provoca l’arresto? I ricercatori sperano che rispondere a queste domande permetta di ampliare i limiti della prevedibilità dei terremoti.

Un osservatorio in corrispondenza di una faglia unico nel suo genere

Per studiare i terremoti alla fonte, il team di FEAR ha realizzato numerosi pozzi. Gran parte di essi permette di monitorare i processi all’interno della roccia. Altri servono a iniettare acqua per provocare piccoli terremoti. Dotati di una vasta gamma di sensori, formano una rete di monitoraggio all’avanguardia direttamente sulla faglia: un’infrastruttura di ricerca unica al mondo. I sensori hanno una sensibilità adeguata per rilevare piccoli sismi di magnitudo -5, e misureranno parametri come la pressione dei fluidi nelle fratture, le variazioni nelle sollecitazioni e molto altro. Durante gli esperimenti di simulazione su larga scala che sta preparando il team, nella zona della faglia saranno iniettate centinaia di metri cubi di acqua ad alta pressione. L'aumento della pressione del fluido che ne deriva riduce la sollecitazione presente sui piani di faglia, indebolendoli e agevolandone lo slittamento. Questa riduzione dell’attrito può innescare un movimento di faglia e quindi un sisma.

«L’osservatorio sulla faglia è il tassello mancante del puzzle dello studio dei terremoti», dichiara Prof Domenico Giardini, uno dei quattro principali ricercatori del progetto FEAR. «Disponiamo di eccellenti reti di monitoraggio in tutto il mondo. Tuttavia, gran parte di loro è collocata sulla superficie, e quindi a molti chilometri di distanza dal punto di origine dei terremoti. Inoltre, anche i pochi sensori nei pozzi si trovano normalmente solo in prossimità delle zone di faglia, non al loro interno».

Innescare un terremoto di magnitudo 1

Nei prossimi esperimenti il team di ricerca ha intenzione di indurre un sisma di magnitudo 1: un valore ben inferiore alla soglia di percezione umana (che si colloca intorno a una magnitudo 2.5 in superficie), ma pur sempre in grado di produrre forti moti del suolo a pochi metri dalla faglia. I ricercatori del progetto FEAR possono sfruttare l’approfondita esperienza accumulata negli ultimi quattro anni grazie ai numerosi esperimenti di iniezione nel BedrettoLab con livelli crescenti di pressione, nei quali finora hanno indotto sismi fino a una magnitudo di -0.5. La fitta rete di sensori collocati sulla zona di faglia e nell’area circostante aiuterà i ricercatori a capire cosa accade prima, durante e dopo un evento di questo genere. Gli studiosi cercheranno anche dei segnali precursori, che potrebbero essere impossibili da rilevare con sistemi di monitoraggio meno sensibili e che un domani potrebbero aiutare a prevedere i terremoti più forti.

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L'iniezione è iniziata il 2 giugno ed è durata due settimane, durante le quali sono stati iniettati 240 m³ di acqua fredda. Il pozzo rimarrà chiuso fino all'inizio di agosto. Il test fornisce dati preziosi sulla risposta idraulica dell'ammasso roccioso all'iniezione a lungo termine.
Durante l'iniezione, i ricercatori hanno osservato un livello di attività sismica relativamente basso rispetto ai precedenti test di iniezione ad alta pressione condotti per la ricerca geotermica. Tuttavia, la nube di dati sismici offre spunti di riflessione sulla propagazione della pressione e sulla creazione di nuovi percorsi di flusso attraverso la roccia. L'iniezione è stata accompagnata da innovativi test traccianti con gas nobili, che aiutano a comprendere il corso dell'acqua all'interno della rete di fratture.
Dopo la riapertura del pozzo all'inizio di agosto e diverse settimane di deflusso, avrà inizio la fase successiva dell'esperimento. Questa volta, sarà l'acqua calda ad essere iniettata seguendo la stessa procedura.

Il concetto studiato in BEACH è già consolidato e commercialmente disponibile nelle rocce sedimentarie.Questo tipo di accumulo nel sottosuolo è sfruttato da grandi edifici, p. es. la sede del parlamento federale tedesco, per il riscaldamento invernale. Combinando più perforazioni il sistema può essere usato anche per il raffrescamento estivo. In Svizzera la roccia predominante, che costituisce il 60 % della superficie nazionale, è cristallina. A differenza di quella sedimentaria, questa non presenta la porosità che consente l’effetto di accumulo. Tuttavia, la roccia cristallina potrebbe essere sfruttata in virtù delle piccole fessure potenzialmente utilizzabili per immagazzinare acqua e calore.

Finora non era mai stato testato un procedimento simile in questo tipo di roccia. Per prepararsi a questo obiettivo, i ricercatori hanno già creato dei modelli numericiche si basano sui dati raccolti in precedenti esperimenti nel BedrettoLab in merito al volume roccioso circostante. Nell'esperimento, l'acqua viene ora immessa nel foro di iniezione per riscaldarla nella roccia circostante. Inizialmente, l'acqua rimarrà nella roccia solo per pochi giorni, ma in ulteriori esperimenti nell'ambito del progetto BEACH, verrà lasciata per periodi più lunghi e verrà anche iniettata acqua calda per testare l'accumulo di calore.

Accumulo di calore nella roccia

In un progetto reale, il calore in eccesso prodotto in estate, p. es. tramite energia solare, potrebbe essere utilizzato per riscaldare l’acqua per poi accumularla nella roccia profonda. Le profondità previste sarebbero di circa 1,5 km, dove la temperatura media è approssimativamente di 60 °C. A seconda della velocità di deflusso nel sottosuolo si determina la posizione del secondo foro finalizzato a trasportare nuovamente l’acqua in superficie e sfruttarla, dopo averne preservato il calore.

Il BedrettoLab si avvicina a queste condizioni reali, dal momento che il laboratorio di geotermia è coperto da circa un chilometro di roccia e questa dispone di un adeguato sistema di fessure. «Sfruttiamo le fessure esistenti e i fluidi che circolano al loro interno e aggiungiamo ulteriore acqua in tali strutture», spiega Maren Brehme, responsabile del progetto. Sono già disponibili molti dati importanti sul volume di roccia nel BedrettoLab. Per esempio, è anche probabile che una certa quantità di acqua venga dispersa e non segua esclusivamente la direzione del flusso principale. Tuttavia, ai fini della fattibilità l’importante è scoprire se almeno una gran parte del volume di acqua immesso possa essere nuovamente prelevato.

Oltre aigli esperimenti in corso presso il BedrettoLab, il team del progetto BEACH è già in contatto con un’azienda di Sciaffusa che ha manifestato interesse a una collaborazione con i ricercatori BEACH per mettere in pratica in un impianto pilota la strategia sperimentata presso il BedrettoLab.

Per saperne di più su BEACH, puoi guardare il seguente servizio televisivo (in tedesco): 10vor10 (SRF) del 2 agosto 2024

Per rispondere ai quesiti scientifici del progetto PRECODE, il volume di roccia interessato è stato minuziosamente dotato di strumentazione in anticipo con varie tecniche di monitoraggio, quali metodi sismici, idraulici, di deformazione e geofisici. Un'importante incognita riguarda l'impatto dei metodi di scavo sulla EDZ, compreso il confronto tra due tecniche. L'obiettivo è osservare l'evoluzione della EDZ in un periodo di tre-cinque anni.

I primi dieci metri della nuova galleria sono stati scavati con un'esplosione controllata, mentre i restanti undici metri sono stati scavati con una tecnica nota come “Line Drilling and Rock Breaking” (perforazione in linea e rottura della roccia), internamente chiamata “Soft Excavation (scavo morbido)”. Questo metodo prevede la realizzazione di numerosi piccoli fori lungo la circonferenza del tunnel per fungere da punti di ancoraggio per uno spacca roccia, che è utilizzato per frantumare il materiale interno. L'obiettivo dello scavo morbido è quello di ridurre al minimo i danni indotti dallo scavo, consentendo al progetto di valutare l'evoluzione dei danni causati esclusivamente dalla ridistribuzione delle tensioni, a differenza dei danni indotti dallo scavo e dall'esplosione.

I risultati iniziali dimostrano chiaramente lo sviluppo della EDZ intorno al tunnel in risposta allo scavo. L'identificazione delle caratteristiche di questa EDZ a breve termine - in particolare la sua posizione e la sua estensione - ha aperto la strada al team di ricerca PRECODE per concentrarsi sull'area di interesse per il monitoraggio a lungo termine, dove studierà come il danno si evolve nel tempo a causa del cambiamento delle condizioni ambientali.

Dopo questa sezione di prova, lo scavo è proseguito per altri 80 metri circa, utilizzando il metodo di perforazione e brillamento più rapido. Alla fine di aprile, lo scavo della galleria laterale è stato completato. Sono ora in corso le operazioni finali, tra cui la pavimentazione del tunnel con calcestruzzo e l'installazione di una rete metallica sul soffitto per garantire un ambiente di lavoro sicuro. Questo mese è prevista la perforazione dei primi pozzi dal nuovo tunnel laterale per continuare con gli obiettivi di ricerca.

Il progetto PRECODE è guidato da un gruppo di ricerca del RWTH Aachen. I partner del progetto sono il Politecnico di Zurigo, la York University (Canada), la Dalhousie University (Canada) e la BGE Technology GmbH (Germania).

Il BedrettoLab, situato in una galleria non cementata lunga 5,2 km, offre un'opportunità unica di studiare la geologia delle Alpi e di visitare un laboratorio sotterraneo unico nel suo genere, gestito dal Politecnico di Zurigo. In collaborazione con il Museo Sasso San Gottardo, i visitatori avranno la possibilità di esplorare il BedrettoLab in cinque occasioni, guidati da guide turistiche esperte.
Durante la visita a piedi, della durata di circa due ore, i visitatori potranno conoscere la storia della galleria Bedretto. Scopriranno anche i fenomeni geologici visibili sulle pareti non rivestite del tunnel, offrendo un'esperienza tangibile della formazione delle Alpi. Inoltre, visiteranno il banco di prova geotermico e capiranno perché il Politecnico di Zurigo ha scelto questo luogo unico per la ricerca geotermica e sismica.

Costi e prenotazione dei biglietti

Il costo del tour per persona è di 25 franchi svizzeri. I biglietti per le seguenti date possono essere prenotati sul sito web del Museo Sasso San Gottardo: www.sasso-sangottardo.ch/bedrettolab

• Sabato 14 giugno
• Domenica 13 luglio
• Venerdì 8 agosto (visite in questo giorno solo in tedesco)
• Sabato 20 settembre
• Sabato 11 ottobre

Maggiori informazioni sulle visite guidate: www.bedrettolab.ethz.ch/it/about/visit/

Dopo un'ampia preparazione, che comprende la creazione di pozzi, l'installazione di sensori e la produzione di una sonda di deformazione appositamente progettata, l'esperimento è iniziato a fine novembre. Nel corso di tre settimane, sono stati iniettati circa 1.100 metri cubi d'acqua nella zona di faglia bersaglio attraverso due pozzi, utilizzando un sistema di controllo remoto progettato su misura. Questo volume equivale all'incirca a 5'600 vasche da bagno. È importante notare come tutta l'acqua utilizzata provenisse dai pozzi del tunnel, garantendo che non venisse sprecata acqua potabile.

L'iniezione avrebbe dovuto indurre una risposta nella struttura della faglia a causa dell'aumento della pressione nella roccia circostante. L'analisi iniziale indica lievi movimenti della faglia; sono in corso calcoli dettagliati per determinare l'entità dello spostamento. Inoltre, l'esperimento ha rivelato una maggiore complessità della zona di faglia rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. Durante l'iniezione ad alta pressione, si sono verificati piccoli eventi sismici a più di 50 metri di distanza dal sito di iniezione e suggeriscono la presenza di un'estesa rete di fratture.

Questi risultati confermano che la zona di faglia può essere attivata e forniscono informazioni cruciali per la progettazione dei prossimi esperimenti FEAR, che si concentreranno sull'attivazione controllata di specifici intervalli di faglia.