DOCUMENTO DI VISIONE STRATEGICA DECENNALE DELL INRIM

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1 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica DOCUMENTO DI VISIONE STRATEGICA DECENNALE DELL INRIM 28 Luglio 2010 (revisione 29 febbraio 2012) Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) Strada delle Cacce Torino, Italy tel fax Pagina 1 di 23

2 INDICE EXECUTIVE SUMMARY... 3 PREMESSA IL CONTESTO La metrologia La ricerca metrologica internazionale e il piano di sviluppo europeo (EMRP) L accordo internazionale MRA Gli Istituti metrologici nazionali in Italia LA COLLOCAZIONE DELL INRIM LA VISIONE STRATEGICA LE LINEE STRATEGICHE Metrologia fondamentale Metrologia applicata Metrologia interdisciplinare Settori metrologici emergenti...20 DVS 29 febbraio 2012 Pagina 2 di 23

3 Executive Summary L INRIM, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, è inserito per la natura dei suoi compiti in un ambito di ricerca internazionale indirizzata da esigenze socio-economiche e scientifiche. La scienza delle misure è garante della correttezza degli scambi commerciali e della veridicità delle prestazioni tecniche dei prodotti. Il valore economico di questa attività è consistente, anche se non direttamente percepito dal pubblico a causa degli automatismi necessari per facilitare gli scambi commerciali. Inoltre le capacità di misura estremamente accurate sono alla base delle importanti interazioni tra metrologia, ricerca fondamentale e raffinate tecnologie. La metrologia si trova ad affrontare una grande sfida. Da una parte alcune delle attività tradizionali richiedono ancora progressi importanti per soddisfare l utenza, dall altra sono emerse nuove esigenze per grandezze di rilevante impatto sulla qualità della vita o che derivano dallo sviluppo delle tecnologie emergenti. Gli Istituti metrologici europei, tra i quali l INRIM, hanno deciso di rispondere a queste domande costituendo una società, EURAMET e.v., per la gestione di un programma di cooperazione nella ricerca, lo European Metrology Research Program (EMRP) che ha tra i suoi obiettivi la costituzione di una rete decentrata di Istituti e infrastrutture. In questo processo l INRIM potenzierà le proprie eccellenze e ne svilupperà di ulteriori in funzione delle necessità espresse dal Paese. L INRIM si colloca al quarto posto per dimensioni e risultati tra gli istituti metrologici dell Unione Europea. In quanto ente di ricerca vigilato dal MIUR, ha prodotto e produce risultati di eccellenza scientifica e di forte interesse industriale che lo pongono tra gli istituti ad alta produzione scientifica e tecnologica e non soltanto nell ambito degli Istituti Nazionali di Metrologia. Queste condizioni di partenza consentono di prevedere nel prossimo decennio per l INRIM uno sviluppo su basi solide, con la possibilità di rafforzare le attività strategiche e di aprirsi a nuovi campi, in cui INRIM potrà far valere e crescere le competenze acquisite negli anni e svolgere un ruolo di riferimento nazionale e internazionale DVS 29 febbraio 2012 Pagina 3 di 23

4 La costituzione di una rete europea di centri metrologici di eccellenza impone il potenziamento dei punti di forza riconosciuti e consolidati e la realizzazione di masse critiche adeguate per il raggiungimento dell eccellenza in nuovi ambiti. Nel prossimo decennio l INRIM si impegnerà in ricerche di metrologia fondamentale, metrologia applicata, metrologia interdisciplinare (Ambiente, Energia, Nuove Tecnologie, Salute) e in settori metrologici emergenti (Fenomeni Piezonuleari, Bioscienze, Ingegneria dei Materiali e Tecnologie delle Comunicazioni). Premessa L INRIM svolge un ruolo unico in Italia, collocato all intersezione tra la scienza e tecnologia d avanguardia e il servizio alla Nazione, in risposta alla domanda di misure affidabili, comparabili e accurate, espressa dal mondo industriale, dagli scambi commerciali, dagli organismi pubblici di regolamentazione e controllo e dalla ricerca scientifica. L INRIM contribuisce alla crescita della cultura scientifica nazionale nell ambito specifico della metrologia. INRIM nasce nel 2006 dalla fusione dell Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti del CNR e dell Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris, Istituti di lunga tradizione con consolidate e profonde competenze nei campi della metrologia e della scienza dei materiali. Facendo avanzare la scienza delle misure, mantenendo e disseminando le unità di misura, sviluppando la tecnologia, l INRIM promuove l innovazione e la competitività dell industria Italiana. L INRIM sostiene l integrazione della metrologia europea sulla base del European Metrology Research Programme, favorendo lo sviluppo di una rete europea decentrata di Istituti Metrologici Nazionali. In questo processo, l INRIM potenzierà le proprie eccellenze e ne svilupperà di ulteriori in funzione delle necessità espresse dal Paese. L attenzione sarà rivolta ai settori portanti dell industria Italiana e in altri emergenti, caratterizzati dall impiego di nuove tecnologie e nei settori della salute pubblica, dell ambiente e dell energia. L INRIM collabora alla crescita del sistema metrologico dei Paesi che siglano con l Italia accordi di collaborazione scientifica, tecnologica e commerciale. DVS 29 febbraio 2012 Pagina 4 di 23

5 1 Il contesto 1.1 La metrologia Misurare significa conoscere. Questa affermazione sintetizza l importanza che le misure hanno avuto, hanno, e sempre avranno nell attività umana. Alla base delle scienze naturali e dell ingegneria, la Metrologia scienza e tecnica della misura è disciplina caratterizzata dall individuazione del misurando, dalla modellazione del processo di misurazione, dalla riferibilità del risultato ai campioni riconosciuti internazionalmente e dalla valutazione critica dell incertezza. Le unità di misura fondamentali e derivate sono definite dal Sistema Internazionale delle Misure (SI) che utilizza i risultati della ricerca scientifica e tecnologica per realizzare campioni che garantiscono la minima incertezza delle misurazioni. Tale livello di accuratezza consente, per converso, di verificare i modelli alla base della ricerca fondamentale. E dunque evidente che il Sistema Internazionale delle Misure evolve di pari passo con la ricerca scientifica e tecnologica e che il primo fruitore di tale Sistema è la ricerca fondamentale. Per la società e le imprese, la metrologia soddisfa le nuove e più urgenti necessità garantendo la correttezza degli scambi commerciali e la veridicità delle prestazioni tecniche dei prodotti. Fu l esigenza di considerare gli scambi commerciali su una dimensione mondiale che spinse fin dal 1875, con la firma della Convenzione del Metro da parte di 17 Paesi tra i quali l Italia, gli Istituti nazionali a operare in un contesto globale, pur mantenendo lo sguardo rivolto alle necessità del singolo Paese. La comparabilità e l interoperabilità delle misure sono fattori cruciali. La misura, di cui è assicurata la validità perché riferita ai campioni nazionali e con incertezza nota, è l elemento oggettivo essenziale alla metrologia legale nel definire la conformità a norme di prodotti e processi. Vari studi dimostrano l impatto delle misure sulla società. Si stima che nei paesi industrializzati le attività di misura incidano, sul prodotto interno lordo, per una quota dal 3% al 6%, giungendo anche al 40% per prodotti ad alta tecnologia, che richiedono tolleranze estreme nelle lavorazioni meccaniche, analisi accurate delle caratteristiche chimiche, meccaniche e termodinamiche dei materiali, riferimenti temporali accurati per i sistemi di navigazione e DVS 29 febbraio 2012 Pagina 5 di 23

6 controlli di sicurezza. Si pensi alle centinaia di misurazioni quotidiane nella catena di montaggio per la costruzione di un mezzo di trasporto e alle misure necessarie per garantire la qualità dei prodotti alimentari: le analisi chimiche per determinare la concentrazione di sostanze dannose nei cibi, le analisi microbiologiche per determinare la presenza di batteri nocivi, le analisi biologiche del DNA per assicurare che i cibi non siano geneticamente modificati. O, ancora, si pensi alla necessità di misure ambientali per garantire la qualità dell aria, delle acque, dei terreni, misure che devono poter essere confrontate per definire e regolamentare le produzioni industriali, l enorme quantità dei dati prodotti dalle stazioni meteorologiche e climatiche a supporto dei modelli di studio del clima e dei suoi cambiamenti: i modelli teorici si basano sull affidabilità dei dati prodotti dalle centinaia di stazioni disseminate sul globo. Ancora, i dispositivi per le terapie mediche, realizzati seguendo le tecnologie più avanzate, le analisi su cui è basata la diagnostica clinica, basate sui più nuovi principi della ricerca medica non possono prescindere da controlli di affidabilità e di confrontabilità delle loro caratteristiche. I campioni nazionali sono necessari per la corretta taratura degli strumenti di misura e costituiscono perciò il presupposto per la significatività e l affidabilità di tutte le misurazioni. Il compito di realizzare e disseminare i campioni è affidato in ciascun Paese a un istituto metrologico nazionale, istituito e regolato da apposite leggi che ne affermano l autonomia scientifica e gestionale. L Istituto metrologico nazionale partecipa alla formulazione delle strategie per quanto riguarda la metrologia a livello internazionale attraverso il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure. 1.2 La ricerca metrologica internazionale e il piano di sviluppo europeo (EMRP) La metrologia si trova ad affrontare in questi tempi una grande sfida. Mentre i campi di attività tradizionali (comunicazioni, manifatturiero) richiedono ancora progressi importanti per soddisfare le richieste degli utenti, sono emerse nello scorso decennio nuove richieste per le grandezze che hanno un grosso impatto sulla qualità della vita o che derivano dallo sviluppo delle tecnologie emergenti. Come conseguenza gli istituti Metrologici dovrebbero attrezzarsi per DVS 29 febbraio 2012 Pagina 6 di 23

7 estendere le loro abilità alle aree dell ambiente, della nutrizione, dell agricoltura, della medicina, delle nanotecnologie e delle bioscienze. Gli organismi metrologici internazionali hanno sviluppato, rispetto alle nuove esigenze, la strategia di coinvolgere direttamente le organizzazioni mondiali (esempi sono World Meteorological Organization (WMO), World Health Organization (WHO), International Federation for Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (IFCC)), gli organismi di regolamentazione internazionale (come US Federal Drug Administration (FDA) e Enterprise Directorate-General of the European Commission), e le associazioni industriali, per definire un core business a livello mondiale. Le esigenze metrologiche di ogni singola nazione stanno dunque diventando un investimento molto gravoso per ogni singolo Istituto, soprattutto in Europa in cui operano 27 differenti Istituti Nazionali. Nel panorama dell integrazione Europea, da anni si è cominciato a ragionare in termini di una rete di laboratori con competenze distribuite. Con l intento di ridurre le duplicazioni accrescendo l impatto sulla società, nel 2002 un certo numero di NMI Europei, tra cui l INRIM ha intrapreso uno studio per avviare un programma congiunto di ricerca di alto livello, a lungo termine. Da questo studio è nato l European Metrology Research Programme (EMRP), destinato a integrare i programmi di ricerca della singole nazioni. L EMRP è sostenuto dalla Commissione Europea e dagli Istituti che partecipano alla European Association of National Metrology Institutes (EURAMET e.v.) e opera per mezzo di bandi tematici. Nel triennio l azione IMERA Plus è stata finanziata con circa 64 milioni di euro. Nel 2009, l Articolo 169 del trattato europeo è stato attivato per la metrologia con un finanziamento di 400 milioni di euro per la durata di sette anni. L adesione di INRIM a IMERA Plus, dopo autorizzazione del Ministero vigilante, è avvenuta nell agosto 2007; l adesione del Governo Italiano all Art. 169 è avvenuta nel febbraio 2009, da parte del Ministro dell Istruzione, dell Università e della Ricerca. 1.3 L accordo internazionale MRA (Mutual Recognition Arrangement of national measurement standards and of calibration and measurement certificates issued by national metrology institutes) DVS 29 febbraio 2012 Pagina 7 di 23

8 L INRIM opera nel contesto internazionale dei comitati tecnici della Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM), l organismo diplomatico degli Stati firmatari della Convenzione del Metro che decide in materia di unificazione internazionale delle unità di misura. L INRIM, insieme all INMRI-ENEA, partecipa all accordo internazionale di Mutuo Riconoscimento dei certificati di taratura, misura e prova emessi dagli Istituti Metrologici Nazionali (MRA Mutual Recognition Arrangement of national measurement standards and of calibration and measurement certificates issued by national metrology institutes), definito dalla CGPM nel 1999 per sostenere la globalizzazione della produzione industriale e degli scambi commerciali, e basato su periodici confronti internazionali di misura. La partecipazione a tali confronti ha permesso l approvazione delle 495 capacità di misura e taratura (CMC Calibration and Measurement Capabilities) dell INRIM. 1.4 Gli Istituti metrologici nazionali in Italia Il sistema metrologico nazionale fu istituito dalla legge 11 agosto 1991, n. 273, utilizzando le competenze dei tre istituti che a quel tempo operavano nel campo della metrologia, in particolare: l Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris (IEN) per le unità elettromagnetiche, fotometriche e radiometriche, acustiche e di tempo e frequenza, l Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti /CNR (IMGC) per le unità di massa, lunghezza, temperatura e l Istituto di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti/ENEA (INMRI). Il decreto del 20 settembre 2002 del Ministero dell'ambiente e della Tutela del Territorio assegnava poi all IMGC il compito di realizzare i campioni per le misure di inquinamento atmosferico. La costituzione dell INRIM, con decreto legislativo 21 gennaio 2004, n. 38, ha realizzato la fusione dell IEN e dell IMGC, portando a due i soggetti che svolgono la funzione di istituto metrologico nazionale. Sebbene INRIM e INMRI-ENEA abbiano saputo coordinarsi coerentemente in ambito internazionale e abbiano frequenti collaborazioni scientifiche, sarebbe auspicabile proseguire sulla via della concentrazione delle funzioni di ricerca metrologica in un unico istituto nazionale, con competenze estese a tutto il complesso dei settori di misura, come già avviene nella maggior parte dei Paesi avanzati DVS 29 febbraio 2012 Pagina 8 di 23

9 Le attività delle strutture metrologiche italiane costituiscono da tempo un fondamentale e riconosciuto sostegno all industria nazionale ed agli scambi commerciali. Inoltre le attività di ricerca, sia strettamente legate allo sviluppo di nuovi metodi per misurazioni, sia nello sviluppo di nuovi modelli fisici, hanno saputo nel corso di quasi un secolo di attività conseguire risultati di punta in ambito internazionale. 2 La collocazione dell INRIM L INRIM si colloca al quarto posto per dimensioni e risultati tra gli istituti metrologici dell Unione Europea. In quanto ente di ricerca, vigilato dal MIUR, ha prodotto e produce risultati di eccellenza scientifica e di forte interesse industriale che lo pongono tra gli istituti ad alta produzione scientifica e tecnologica e non soltanto nell ambito degli Istituti Nazionali di Metrologia. La collocazione dell'inrim nel sistema nazionale della ricerca, che fa capo al MIUR, fa sì che l'istituto sia chiamato ad interpretare la propria missione di ente metrologico in modo aperto alla ricerca fondamentale e all innovazione tecnologica di alto profilo, nello spirito della nuova economia basata sulla conoscenza. Gli stretti e profondi legami che esistono tra metrologia e ricerca fondamentale da un lato e tra metrologia e innovazione tecnologica dall'altro, fanno sì che l'inrim abbia la possibilità di svolgere da questo punto di vista un ruolo unico nel sistema della ricerca nazionale. L INRIM partecipa attivamente agli organismi tecnici della Conferenza Generale dei Pesi e della Misure (CGPM) e dell EURAMET, prende parte e, talvolta, presiede i lavori dei comitati tecnici e, fin dal 1990, uno dei suoi ricercatori è stato nominato membro del Comitato Internazionale Pesi e Misure. Questo permette all INRIM di contribuire a definire le strategie e i programmi di ricerca a lungo termine della metrologia internazionale e europea. L INRIM ricopre un ruolo importante e significativo in campi di attività di metrologia applicata che potranno avere un notevole sviluppo nei prossimi 10 anni, si citano ad esempio: l applicazione della metrologia del tempo nel sistema di navigazione europeo Galileo, la recente disponibilità in INRIM di un laboratorio di microscopia elettronica e nano fabbricazione, e l avvio della ricerca in metrologia della medicina rigenerativa. DVS 29 febbraio 2012 Pagina 9 di 23

10 L INRIM è associato all azione relativa a 9 dei 12 poli per l innovazione tecnologica del Piemonte, al fine di beneficiare della struttura per interagire con l industria nella partecipazione a progetti congiunti. L INRIM ha attivato convenzioni formali con numerosi Enti e Università italiani e stranieri, e dà supporto agli organismi nazionali ed internazionali di normativa in tutti i suoi campi di attività. L INRIM partecipa e coordina progetti di ricerca finanziati o cofinanziati da bandi regionali, nazionali ed europei (Unione Europea e Agenzia Spaziale Europea), contribuendo in buona misura al finanziamento delle proprie ricerche. I finanziamenti esterni, provenienti da attività di disseminazione e da contratti di ricerca nazionali ed europei, contribuiscono per circa il 25% al bilancio dell INRIM. Queste condizioni di partenza consentono di prevedere nel prossimo decennio, per l INRIM, uno sviluppo su basi solide, con la possibilità di rafforzare le attività strategiche e di aprirsi a nuovi campi quali l ambiente, la salute, l energia, in cui INRIM potrà far valere e crescere le competenze acquisite negli anni e svolgere un ruolo di riferimento nazionale e internazionale 3 La visione strategica La costituzione di una rete europea di centri metrologici di eccellenza impone il potenziamento dei punti di forza riconosciuti e consolidati e la realizzazione di masse critiche adeguate per il raggiungimento dell eccellenza in nuovi ambiti. Pertanto, nel decennio le attività strategiche dell INRIM saranno: per la metrologia fondamentale, assicurare le basi del Sistema Internazionale mantenendo la scienza delle misure allineata agli sviluppi scientifici e tecnologici, in un decennio dominato dalla realizzazione delle unità sulla base del valore delle costanti fisiche fondamentali. per la metrologia applicata, rispondere alla domanda di tecnologie di misura e di disseminazione delle unità da parte del sistema produttivo, quali la metrologia dimensionale per l aerospazio e l industria meccanica, il timing per il sistema di DVS 29 febbraio 2012 Pagina 10 di 23

11 navigazione satellitare Galileo, e i nuovi ed armonizzati campioni di misura necessari negli ambiti biomedicale, agro-alimentare e farmaceutico. per la metrologia interdisciplinare, contribuire con riferimenti e tecnologie di misura a raggiungere gli obiettivi socio-economici per: o Ambiente - il monitoraggio climatico e ambientale, l uso sostenibile dell acqua e le tecnologie rinnovabili; o Energia l efficienza e il risparmio energetico, l ottimizzazione delle Reti di distribuzione e la caratterizzazione dei Fluidi energetici; o Nuove Tecnologie i settori delle Nanotecnologie, della Spintronica e delle Tecnologie Quantistiche; o Salute la diagnosi e la terapia nell ambito degli Ultrasuoni, la Diagnostica per immagini e la prevenzione dell esposizione a campi elettromagnetici; per i settori metrologici emergenti, esplorare una nuova strada di ricerca scientifica e tecnologica che preveda l impiego delle reazioni piezonucleari per ottenerne positive ricadute negli ambiti dell energia, della sicurezza e dell ambiente, rispondere alla sempre maggior richiesta in Italia di sviluppare attività di metrologia nelle bioscienze e di misurare le grandezze caratteristiche dell ingegneria dei materiali e nel campo delle tecnologie delle comunicazioni. La strategia di mantenimento, sviluppo e disseminazione di capacità di misura e taratura dell INRIM è determinata dalle necessità dell industria, del commercio, degli organi ministeriali e degli organismi di regolamentazione Italiani. La rete europea permetterà la razionalizzazione delle attività connesse all Accordo di Mutuo Riconoscimento e al mantenimento dei campioni nazionali, sulla base delle necessità espresse dal Paese e sentiti i ministeri competenti, liberando risorse per le eccellenze e assicurando la disseminazione ai massimi livelli e il supporto ai paesi emergenti per la crescita del proprio sistema metrologico nell ambito degli accordi intergovernativi per lo sviluppo tecnologico, culturale e commerciale. Per lo sviluppo economico e tecnologico italiano si provvederà perché dai risultati della ricerca derivino servizi di trasferimento tecnologico all industria e agli organismi governativi di regolamentazione. L INRIM potenzierà la disseminazione delle unità di misura alla struttura produttiva del paese, i laboratori di taratura e prova e gli utenti nazionali, attraverso il Servizio DVS 29 febbraio 2012 Pagina 11 di 23

12 Nazionale di Taratura. Una forte politica di radicamento sul territorio nazionale, a beneficio delle imprese e del cittadino, valorizzerà i risultati dell INRIM in termini di brevetti e spin-off, anche attraverso l associazione ai Poli di Innovazione Tecnologica della Regione Piemonte. L INRIM promuoverà l interazione con gli atenei e gli altri enti di ricerca, per ampliare la base di conoscenze e competenze e dunque la capacità di impatto. L Ente favorirà la formazione di ricercatori nei progetti applicativi di ampio respiro in modo da facilitarne l immissione nel mondo del lavoro e della ricerca pubblica e privata. In particolare promuoverà l istituzione di una scuola internazionale di dottorato in Metrologia e Scienza delle Misure, secondo le indicazioni del Piano Nazionale della Ricerca. 4 Le linee strategiche 4.1 Metrologia fondamentale La metrologia deve assicurare solide basi al Sistema Internazionale e alla scienza delle misure e mantenere la realizzazione delle unità allineata agli sviluppi della scientifici e tecnologici; il prossimo decennio sarà dominato dalla realizzazione delle unità di misura sulla base del valore delle costanti fisiche fondamentali. Basilare sarà l attività connessa all Accordo di Mutuo Riconoscimento per assicurare la disseminazione ai massimi livelli delle unità così realizzate. I prossimi anni vedranno completarsi la realizzazione del chilogrammo attraverso la determinazione delle costanti di Planck e Avogadro (a cui è legata anche la realizzazione della mole) assicurando la stabilità a lungo termine del campione di massa, oggi incerta. L estensione della scala assoluta di lunghezza alla regione gamma dello spettro elettromagnetico consentirà la determinazione diretta delle massa atomica, attraverso misurazioni di frequenza, e la verifica dell equivalenza massa/energia. Per quanto riguarda la termodinamica, la realizzazione del kelvin attraverso la determinazione della costante di Boltzmann per mezzo di tecniche acustiche (la misurazione delle velocità del suono nei gas) e la misurazione del rumore termico di un resistore sono le sfide più impegnative e capaci di innovazioni. Le future scale di temperatura richiederanno ricerche fondamentali in termometria primaria per la mise-en-pratique dell unità. DVS 29 febbraio 2012 Pagina 12 di 23

13 Una nuova definizione del secondo non è prevista per il prossimo decennio, ma il tempo è la grandezza misurabile con la maggiore accuratezza: lo sviluppo di un campione di frequenza basato sull atomo di Yb consentirà un accuratezza migliore di 1x Ciò nonostante, è prossima una svolta epocale: i sistemi in microonda saranno soppiantati da sistemi ottici. I campioni di frequenza permetteranno di verificare l equivalenza delle masse inerziali e gravitazionale, attraverso confronti nel tempo e nello spazio di campioni di frequenza che utilizzano specie atomi diverse, e l esistenza o meno di variazioni delle costanti fondamentali. Nell ambito della fotometria e radiometria, per sostenere la evoluzione delle nuove tecnologie ottiche e fotoniche, la prossima sfida è la realizzazione della candela attraverso il conteggio di fotoni. A questo fine dovranno essere sviluppati rivelatori a semiconduttore assoluti, la cui risposta sia determinata da costanti fondamentali attraverso l effetto fotoelettrico. La metrologia elettrica perseguirà, in coerenza con le nuove definizioni, il consolidamento delle sue unità di misura e la verifica della loro consistenza attraverso opportune misurazioni (per es. la chiusura di un triangolo metrologico tra gli effetti quantici attualmente utilizzati e la misura di correnti basate sul conteggio di singoli elettroni o di quantizzazione della fase). Mediante l applicazione di nuovi dispositivi quantistici e/o elettronici ad alta velocità, saranno sviluppati nuovi sistemi per l estensione in frequenza delle misure di precisione e della riferibilità delle unità elettriche. Una analoga estensione sarà necessaria nel campo delle alte frequenze, dove lo sviluppo delle applicazioni richiederà la disponibilità di sistemi di misura di precisione e la costruzione di riferimenti adeguati per frequenze nel sub-millimetrico. I modelli matematici sono uno strumento fondamentale per la comprensione dei fenomeni fisici, la progettazione degli esperimenti e l interpretazione e l analisi dei dati. Nuove tecnologie di misura possono essere sviluppate solo parallelamente ai modelli matematico-numerici necessari a descriverle e comprenderle. Per quanto riguarda la quantificazione dell incertezza delle misure, le tecniche basate sulla statistica Bayesiana rappresenteranno la prossima frontiera. 4.2 Metrologia applicata L INRIM deve rispondere alla crescente domanda di tecnologie di misura e di disseminazione delle unità da parte del sistema produttivo italiano. DVS 29 febbraio 2012 Pagina 13 di 23

14 Elettricità e magnetismo - I temi che si vanno delineando nel campo della metrologia elettrica si possono individuare nello sviluppo di metodi di misura riferibili per l elettronica di potenza e i convertitori, nelle misure elettriche riferite in regime alternato e genericamente variabile fino alla radio-frequenza, e nelle misure di affidabilità di dispositivi elettronici. A ciò si aggiungono la misura dei parametri di dispositivi elettrici ed elettronici per la produzione e lo stoccaggio di energia in sistemi distribuiti, la misura delle proprietà elettromagnetiche dei materiali e dei sistemi biologici, e le misure in alta frequenza (fino e oltre 300 GHz). Sul fronte del magnetismo, i temi dominanti saranno dettati dallo studio e la caratterizzazione di sistemi nanometrici e nano strutturati e di materiali per l energia e la spintronica. Per lo sviluppo delle tecnologie necessarie al miglioramento della qualità dei materiali, al loro impiego in prodotti tecnologici e la modernizzazione dei metodi di produzione, saranno necessari metodi, riferimenti e dati per la comprensione e il controllo dei processi di preparazione, delle proprietà fisico-strutturali e delle prestazioni dei materiali magnetici. Tempo e frequenza - Nel sistema di navigazione europeo Galileo, l'accuratezza della localizzazione è strettamente connessa all'accuratezza degli orologi. I problemi da risolvere riguardano lo sviluppo di orologi capaci di operare nello spazio, i sistemi di sincronizzazione terra-spazio, la definizione della scala di tempo di riferimento e valutazione degli errori degli orologi di bordo. L INRIM realizzerà, per ESA, la Galileo Time Validation Facility e validerà tutti gli aspetti del "timing" del sistema non appena i primi 4 satelliti saranno operativi. Questa sperimentazione sarà propedeutica alla definizione e realizzazione della Galileo Time Service Provider, una parte integrante del sistema che sarà messa in gara nei prossimi anni e che vedrà il coinvolgimento di uno o più istituti metrologici. Gli attuali sistemi di sincronizzazione saranno inadeguati per gli orologi ottici. Questo problema porterà (a livello continentale) allo sviluppo di sistemi di sincronizzazione basato su reti in fibra ottica, mentre è ad oggi un problema aperto individuare soluzioni funzionali alla scala intercontinentale. La collaborazione con industrie e centri di ricerca già affermati nel settore della geodesia permetterà l'utilizzo di algoritmi rapidi e affidabili per il confronto di orologi, riducendo la latenza dei risultati a mezz ora. Fotometria e radiometria - Le nuove tecnologie quantistiche che sfruttano le proprietà non-classiche della luce promuoveranno lo sviluppo di rivelatori di fotoni singoli capaci di rilevare la luce emessa da sorgenti un miliardo di volte più deboli rispetto alle fonti DVS 29 febbraio 2012 Pagina 14 di 23

15 convenzionali. Inoltre, la progettazione e la realizzazione di superfici otticamente ingegnerizzate richiederà di conoscere e manipolare le proprietà ottiche dei materiali. La metrologia dovrà quantificare e porre in relazione gli aspetti macroscopici desiderati e le proprietà strutturali microscopiche che li determinano. Massa e grandezze derivate - La ridefinizione del chilogrammo imporrà la revisione delle procedure necessarie a garantire la riferibilità dei campioni nazionali all unità. La metrologia delle grandezze derivate (forza, pressione e portata) si svilupperà in due direzioni. La prima è lo sviluppo di metodi primari per misurazioni in regime dinamico, che rispondono a interessi dei settori automobilistico e dell industria dei semiconduttori. La seconda è l estensione delle capacità di misura alle piccolissime scale, di interesse in campi molto diversi, quali l aerospaziale (per il controllo della spinta di satelliti scientifici) e la salvaguardia dell ambiente (monitoraggio di fughe di contaminanti). Ingegneria di precisione - Il settore metalmeccanico rappresenta il 41% dell industria manifatturiera italiana. L Italia è al primo posto nella produzione di macchine utensili ad asportazione e deformazione, con un ricavo stimato in oltre 2,6 miliardi di euro. Inoltre, è il quarto produttore di macchine di misura a coordinate. In questo settore, la metrologia dimensionale, dalla nanoscala alle grandi dimensioni, è uno degli strumenti indispensabili. E prevedibile una forte domanda di integrazione di sistemi di visione artificiale, di analisi di immagini digitalizzate e di metrologia dimensionale a coordinate nelle macchine utensili. Aerospazio - L industria aerospaziale evidenzia esigenze di misura e controllo dimensionali per strutture di grandi dimensioni (ad esempio, le strutture alari), per il volo in formazione di satelliti, per la realizzazione di telescopi operanti a terra e nello spazio, per il monitoraggio delle deformazioni del suolo. Questo richiederà capacità e metodi di misura dimensionale su grandi distanze (fino a parecchi chilometri), sia a terra che nello spazio, con risoluzioni migliori di una parte su dieci milioni. Metrologia in chimica E uno dei campi della metrologia con maggiore velocità di crescita, in virtù della necessità di misure chimiche affidabili in aspetti che vanno dalla vita quotidiana agli scambi commerciali nazionali e sovranazionali. Nuovi ed armonizzati standard di misura sono necessari negli ambiti della chimica ambientale, agro-alimentare e farmaceutica in applicazione a direttive europee. L'INRIM si sta muovendo, come gli altri Istituti Metrologici, nella direzione dello sviluppo di Materiali di Riferimento Certificati per riferire alle Unità SI le grandezze chimiche quali, ad esempio, la concentrazione di sostanze in traccia. DVS 29 febbraio 2012 Pagina 15 di 23

16 Termometria. Per quanto riguarda i dispositivi di misura della temperatura, le priorità riguardano i nuovi punti fissi termometrici ad alta temperatura, le applicazioni alla taratura rapida e a basso costo,lo sviluppo di nuovi sensori con capacità di auto taratura, e l imaging termico. Calcoli ab-initio di proprietà termiche e termodinamiche impossibili da misurare sono necessarie per ottimizzare i modelli termici dei processi industriali che fanno uso di alte energie e, quando siano validate, di evitare costose misurazioni. La determinazione quantitativa del vapore d acqua è critica nei modelli climatici; quella dell umidità nei solidi ha importanti applicazioni nei processi di produzione industriale ai fini del risparmio energetico. Acustica - L obiettivo è l espansione degli attuali metodi primari di misura, per fornire riferibilità su intervalli più estesi di frequenze e livelli, per la caratterizzazione di dispositivi di nuova generazione. Inoltre, gli ultrasuoni sono efficaci nel causare cambiamenti nella struttura macroscopica e microscopica dei materiali. Il successo delle loro potenziali applicazioni richiede il miglioramento nella comprensione dell'acustica dei sistemi multifase (cavitazione), come principale agente di tali cambiamenti. Per la riduzione del rumore ambientale, si studieranno i materiali fonoisolanti e alcune loro proprietà acustiche (porosità, compressibilità, resistenza al flusso) come base per lo studio della propagazione acustica per via solida. 4.3 Metrologia interdisciplinare La ricerca metrologica dovrà rispondere agli obiettivi socio-economici nei campi dell ambiente dell energia, delle nuove tecnologie e della salute, con approcci che combinano tecnologie e metodi diversi tra loro. Data la particolare rilevanza nell ambito europeo, la strategia INRIM è coordinata con gli altri Istituti Metrologici Primari. Ambiente La sfida è assicurare una crescita continua e sostenibile, minimizzando gli impatti negativi sull ambiente. Questo implica misure sempre più sofisticate e accurate e tipicamente comporta sensibilità elevate e tempi di misura molto lunghi legati all osservazione dei cambiamenti ambientali. La valutazione prestazionale delle nuove tecnologie sostenibili conduce naturalmente a un metodo multidisciplinare che integra la scienza delle misure con altre discipline e porta a condurre allo sviluppo di nuove tecniche di misura riferibili e validate. Gli assi portanti risultano essere: DVS 29 febbraio 2012 Pagina 16 di 23

17 - La misura dei cambiamenti ed il monitoraggio climatico, in termini di parametri metereologici, termodinamici e di concentrazione di specie chimica, per consentire, in un quadro globale, di ridurre le emissioni di gas serra ed accompagnare la transizione verso un economia basata su un minore uso di combustibili fossili; - Il monitoraggio ambientale e la misura di flussi e concentrazioni di specie regolate dal protocollo di Kyoto, per ridurre e gestire al meglio l inquinamento antropico dell aria e dell acqua. In particolare, è prevista la misura di parametri oceanici quali acidità, salinità, temperatura, densità e profili di flusso. - L uso sostenibile dell acqua con il controllo della qualità in termini di componenti chimici specifici e di parametri elettrochimici, la misura delle perdite di rete, e la rivelazione rapida di contaminanti per la protezione della salute. - Il sostegno alla tecnologia eolica mediante la riduzione dell impatto acustico dei generatori eolici, con lo sviluppo di tecniche a infrasuoni e la realizzazione di sonde microfoniche miniaturizzate (MEMS) per la misura della velocità del vento. Energia L obiettivo principale è individuare soluzioni per trasformare l attuale sistema energetico basato sui combustibili fossili in un sistema maggiormente sostenibile basato su di un ampio spettro di fonti rinnovabili. Il contributo della metrologia si articola in tre temi principali. Efficienza e risparmio energetico - La progettazione e caratterizzazione di dispositivi elettromagnetici ad alta efficienza per il risparmio energetico richiede la realizzazione di modelli multifisici del comportamento dei materiali e dei dispositivi nel loro complesso. Tale realizzazione permette la precisa caratterizzazione delle prestazioni dei dispositivi innovativi, la messa a punto di protocolli fruibili dalle aziende per la caratterizzazione dei loro prodotti, e il confronto delle prestazioni. Infine, per sostenere la transizione all impiego di sorgenti di luce ad alto risparmio energetico nell illuminazione pubblica verranno sviluppate la caratterizzazione e i riferimenti di misura per la tecnologia LED e OLED. La progettazione, l uso e la valutazione dell efficienza energetica dell ambiente costruito hanno ricadute su un settore molto ampio che va dalle abitazioni private ai complessi industriali e pubblici (scuole, ospedali, ecc.). E necessario migliorare le capacità di misura per rendere disponibili o facilitare la valutazione dell efficienza energetica dell ambiente costruito; la misura DVS 29 febbraio 2012 Pagina 17 di 23

18 delle prestazioni di materiali innovativi e riciclabili; la taratura di sensori multifunzione per il monitoraggio in situ di edifici e strutture intelligenti. Reti di distribuzione - La realizzazione di reti di trasporto dell energia su lunghissime distanze, in alta tensione continua e alternata, e lo sviluppo di reti integrate complesse, con generazione distribuita, richiede un avanzamento nelle capacità di misura dell energia, della potenza elettrica e della sua qualità. Per la caratterizzazione e la determinazione dell efficienza degli elementi costitutivi della rete e nella trasmissione di energia elettrica, al fine della gestione automatica e sicura della rete, dovrà essere sviluppata una nuova generazione di trasduttori nonconvenzionali (senza contatto, accoppiati a sistemi di misura e trasmissione dati wireless) per costituire reti di misura e monitoraggio per rendere sicura e affidabile la gestione complessiva della distribuzione. Fluidi energetici - La progressiva sostituzione di fonti energetiche rinnovabili al posto di quelle basate su combustibili fossili, richiede lo sviluppo di metodi metrologici e strumenti che ne caratterizzino la composizione e le proprietà termofisiche favorendone l affidabilità e migliorando i sistemi utilizzati per la loro produzione, immagazzinamento, trasporto e distribuzione. In questo ambito proseguirà l applicazione di metodi acustici alla caratterizzazione termodinamica di fluidi energetici innovativi, fra i quali: il gas naturale di origine e composizione non convenzionale, i cosiddetti biofuels, il gas naturale liquefatto. In prospettiva: verranno sviluppati metodi e sensori a microonde e acustici per le misure in situ presso reti di distribuzione ed impianti di estrazione e raffinazione dei fluidi energetici. Nuove tecnologie La metrologia intende rispondere alla crescente domanda di sviluppo e caratterizzazione al massimo livello di accuratezza di dispositivi e materiali dominati da effetti quanto-meccanici. Nanotecnologie e dispositivi - L INRIM possiede una delle rare risorse di nanofabbricazione per fasci ionici ed elettronici in Italia. Le tecniche messe a punto presso Nanofacility Piemonte INRIM costituiscono un laboratorio di eccellenza in collaborazione con l Università e il Politecnico di Torino. Tali tecniche permetteranno di ottenere materiali nanostrutturati su larga scala alla base di dispositivi che avranno applicazioni nell elettronica, nella sensoristica, nella spintronica e nelle tecnologie quantistiche. La miniaturizzazione dei dispositivi richiederanno la soluzione di problemi di misura specifici e specifici campioni di DVS 29 febbraio 2012 Pagina 18 di 23

19 riferimento per la caratterizzazione delle superfici, lo studio dell adesione e delle interazioni chimico-fisiche di nanoparticelle. Spintronica - Il controllo delle proprietà magnetiche a livello di singolo spin è di primaria importanza per la scienza delle misure applicata all'industria, alla salute e all'ambiente. Nel prossimo decennio si punterà verso la capacità di misurare le proprietà di nanostrutture sempre più piccole, costituite da gruppi sempre meno numerosi di atomi, all'interno di materiali ferromagnetici convenzionali (film sottili) opportunamente nanostrutturati. La misura delle dinamiche di spin ad alta frequenza e ad alta velocità è un argomento di frontiera. Questi fenomeni percorrono trasversalmente argomenti che vanno dalle dinamiche di frattura, ai terremoti e ai fenomeni di rumore. Offrono l'opportunità di misurare fenomenologie alla base dei sistemi di memorizzazione e di sensing magnetico di prossima generazione. Tecnologie Quantistiche - Una sfida per la metrologia del futuro è rappresentata dallo sviluppo tecnologico dei fenomeni descritti dalla meccanica quantistica. Un esempio è la crittografia quantistica, che può garantire comunicazioni assolutamente sicure ma il cui successo sul mercato richiede lo sviluppo di riferimenti metrologici dedicati. La meccanica quantistica offre inoltre nuove potenzialità alla metrologia, permettendo livelli di precisione ed accuratezza non raggiungibili da sistemi classici. Ad esempio l entanglement può essere sfruttato per ottenere misure al di sotto dello shot noise. Inoltre, la metrologia di sistemi mesoscopici operanti in regime quantistico è una delle frontiere future della meccanica. La realizzazione di un tale dispositivo consentirebbe di chiarire la transizione tra i domini classico e quantistico e di sviluppare tecnologie di misurazione intrinsecamente quantistiche (l analogo della quantum computation per la misurazione). Salute La metrologia dovrà coadiuvare lo sviluppo delle tecnologie di prevenzione, diagnosi e terapia sostenendo la competitività dell industria italiana del settore e dei servizi offerti. Ultrasuoni - Le tecniche a ultrasuoni sono attualmente uno degli strumenti diagnostici più utilizzati in medicina. La sicurezza e l efficacia del loro utilizzo richiede lo sviluppo di strumenti metrologici innovativi e dedicati. In questo ambito, è cruciale la realizzazione e lo sviluppo di campioni in grado di coprire regimi estesi di potenza ultrasonora, pressione acustica e frequenza. L INRIM è un centro di riferimento per gli ultrasuoni in medicina, in base a una convenzione stipulata con la Regione Piemonte. Per determinare la sicurezza delle applicazioni degli DVS 29 febbraio 2012 Pagina 19 di 23

20 ultrasuoni in medicina si svilupperanno metodi per la stima dei livelli di ultrasuoni in-vivo, sistemi di misura della potenza ultrasonora e degli effetti degli ultrasuoni sui tessuti tramite la realizzazione di fantocci. Ulteriori sviluppi riguarderanno: la realizzazione di strumenti e dispositivi acustici per nuove modalità terapeutiche inclusi trattamenti oncologici con trasduttori focalizzati a ultrasuoni di alta intensità (HIFU); lo studio degli effetti della radiazione ultrasonora per la somministrazione controllata di ossigeno in tessuti ipossici; la preparazione di nano-bolle per lo studio dei fenomeni di sonoporazione e somministrazione mirata di farmaci. Diagnostica per immagini l obiettivo riguarda la quantificazione della risposta dello strumento diagnostico attraverso l uso di tecniche informatiche che consentono di memorizzare immagini digitalizzate, ad esempio di biopsie, quantificando le indagini patologiche in misure al fine di assicurare diagnosi veloci, condivise e precise. Inoltre, nuove tecniche di misura basate sull interferometria a raggi X, permetteranno di evidenziare strutture e anomalie in tessuti molli che, essendo trasparenti a raggi X, sono invisibili alle tecniche radiografiche convenzionali. Uno dei problemi da risolvere per l applicazione clinica di tali tecniche è la misura e il controllo della posizione e dell assetto dei cristalli, che realizzano il sistema ottico, con risoluzioni alla scala delle dimensioni atomiche. Esposizione a campi elettromagnetici - Tema di lungo respiro è costituito dall impatto elettromagnetico di sistemi e dispositivi di potenza, così come di dispostivi elettronici e sistemi di telecomunicazione, in relazione alla sicurezza e alla salute umana. Si individuano come tematiche di sviluppo scientifico, con ricadute socio-economico e ricadute e nell ambito della normativa sulla sicurezza, quelle della valutazione indiretta di grandezze dosimetriche mediante lo sviluppo di metodi numerico-sperimentali non invasivi, dello sviluppo di metodi di misura per la valutazione dell assorbimento dell energia RF e a microonda negli organismi biologici, e dello studio di una nuova generazione di dispositivi a bassa emissione, quali ad esempio sistemi a risonanza magnetica per diagnostica MRI (Magnetic Resonance Imaging) e test non distruttivi. 4.4 Settori metrologici emergenti L impetuoso sviluppo di alcuni settori scientifici comporta una sempre maggior richiesta di Metrologia per l identificazione e misurazione delle grandezze caratteristiche a cui l INRIM DVS 29 febbraio 2012 Pagina 20 di 23

21 intende rispondere. Le aree che necessitano di un particolare intervento dal punto di vista metrologico sono: Fenomeni Piezonucleari Le reazioni piezonucleari sono fissioni di elementi non-radioattivi e relativamente leggeri (dal Ferro in giù), che si scindono in elementi inerti ancora più leggeri, senza la produzione di raggi gamma né di scorie radioattive, ma con l emissione di neutroni. Esse, come ricorda la radice greca della parola, sono indotte da onde di pressione, sia nei liquidi che nei solidi. Il ruolo dell INRIM sarà puramente metrologico: si tratterà di mettere a disposizione della Comunità Scientifica Nazionale, e in particolare degli altri EPR interessati, tutte le metodologie sperimentali di indagine, rilevazione e misura che si mostreranno utili allo scopo. L INRIM è interessato a partecipare al bando per il Progetto Bandiera L ambito Nucleare atteso per il Le prime esperienze sui liquidi sono state condotte presso il CNR di Roma, utilizzando soluzioni acquose di sali di ferro sollecitate da ultrasuoni, mentre le prime esperienze sui solidi sono state condotte presso il Politecnico di Torino in collaborazione con ricercatori di INFN e INRIM, utilizzando rocce granitiche o basaltiche sollecitate in compressione e portate a frattura fragile. I risultati salienti, già ottenuti dal gruppo di ricerca e pubblicati su autorevoli riviste internazionali di Fisica Sperimentale e di Meccanica Sperimentale, riguardano le prove sperimentali dirette e indirette delle reazioni piezonucleari. Tra queste ultime vi sono le emissioni neutroniche, che sono state rilevate in modo regolare e ripetibile utilizzando diverse tipologie di rivelatori. Considerando ad es. gli esperimenti condotti su rocce granitiche, vi è da osservare che, in funzione di diversi parametri, tra cui anche la scala dimensionale del provino, si sono verificate le emissioni più intense nelle prove di frattura, con flussi di neutroni da uno a due ordini di grandezza superiori rispetto al fondo naturale. La prova diretta delle reazioni piezonucleari è stata ottenuta tramite la recentissima tecnica spettroscopica EDS. Se queste reazioni possono avvenire in un laboratorio, ove le pressioni e le temperature, ma soprattutto le masse in gioco, sono di gran lunga inferiori a quelle presenti negli strati profondi della crosta terrestre, a maggior ragione esse avverranno in quest ultima, innescate da fenomeni di frattura e frantumazione di origine sismica e tettonica. D altra parte, come evidenziato nei lavori della Scuola Russa, prima e durante terremoti anche di media magnitudo si possono rilevare flussi neutronici sino a mille volte il fondo naturale. Può DVS 29 febbraio 2012 Pagina 21 di 23

22 sorprendere riscontrare dalla letteratura specialistica come le reazioni piezonucleari appena descritte e avvenute quasi istantaneamente in un provino di granito, possano essere avvenute in proporzioni confrontabili durante la formazione e la maggiore attività delle placche tettoniche (tra 3.8 e 2.5 miliardi di anni fa). Per quanto riguarda invece le applicazioni, se ne prevedono di molti e svariati tipi, ma quelle riguardanti la previsione dei terremoti, lo studio dell inquinamento da Carbonio, l accelerazione del decadimento delle scorie radioattive, e persino una eventuale produzione di energia pulita, appaiono del tutto possibili, se supportate da una ricerca scientifica adeguata. Bioscienze La sfida sarà sviluppare la metrologia primaria per la biologia cellulare e la genomica, attualmente agli inizi, e la metrologia applicata alla microbiologia, alla tossicologia, alla medicina rigenerativa e all ingegneria dei tessuti; realizzando infrastrutture metrologiche di eccellenza europea. Per fornire all industria italiana dei settori biotech e biomed campioni, materiali di riferimento e le capacità di misura di cui necessita, si può prefigurare la realizzazione di una piattaforma tecnologica sul territorio nazionale. Lo sviluppo di metodologie di misura innovative e di modelli matematico-numerici porteranno a quantificare interazioni fondamentali in sistemi biologici complessi. Tecniche consolidate porteranno ad applicazioni significative nell analisi dei residui di farmaci veterinari negli alimenti, nell identificazione di agenti patogeni, tossine e OGM, nell identificazione certa mediante l analisi del DNA. Sarà inoltre necessario assicurare l affidabilità e l uniformità dei risultati a un vasto spettro di tecnologie analitiche per misurazioni in linea: sistemi lab-on-chip, dispositivi di screening, strumenti per misurazioni remote, metodi micro e nano-analitici, conteggio di singole molecole. L analisi per attivazione neutronica continuerà ad essere tecnica fondamentale negli studi sia biomedici che piezonucleari. Materiali L ingegneria dei materiali è orientata alla comprensione, al controllo e alla progettazione delle proprietà dei comportamenti macroscopici in termini delle proprietà dei costituenti atomici, molecolari, e cellulari nel caso di biomateriali. La realizzazione di materiali funzionalizzati e di prodotti e servizi inaccessibili ai materiali convenzionali rappresentano una vera e propria sfida metrologica per la presenza contemporanea di due o più funzioni in uno stesso dispositivo e per DVS 29 febbraio 2012 Pagina 22 di 23