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