Un metamateriale progettato per filtrare le onde sismiche e proteggere le opere sotterranee. È l’idea alla base di MetaTunnels, il progetto di ricerca ideato da Davide Noè Gorini, professore associato di Ingegneria Geotecnica all’Università di Trento, che ha ottenuto un prestigioso Erc Starting Grant dal Consiglio europeo della Ricerca.

L’obiettivo è ambizioso: non rendere semplicemente più resistente un tunnel, ma modificare il modo in cui terremoto, terreno e struttura interagiscono tra loro. Il progetto punta infatti a sviluppare un particolare rivestimento metamateriale, chiamato Rml, capace di trasformare il sistema terreno-tunnel in una sorta di scudo antisismico.

«Le opere in sotterraneo sono immerse nel terreno e vengono investite da onde sismiche di diversa natura, frequenza e direzione», spiega Gorini. Da qui nasce la necessità di cambiare approccio: invece di limitarsi a contrastare gli effetti delle scosse sulla struttura, MetaTunnels vuole intervenire direttamente sull’interazione tra le onde sismiche e l’opera.

L’idea arriva anche dall’esperienza dei terremoti che negli ultimi anni hanno colpito diverse aree del mondo. In Italia, la sequenza sismica del Centro Italia del 2016 ha mostrato come anche le infrastrutture sotterranee possano subire danni significativi. La sfida diventa quindi quella di progettare sistemi capaci non soltanto di resistere al terremoto, ma di attenuarne gli effetti prima che raggiungano la struttura.

Il cuore tecnologico della ricerca sarà l’Rml, un’architettura tridimensionale realizzata attraverso un particolare reticolo auxetico. La sua geometria sarà studiata per controllare le diverse modalità di deformazione che si sviluppano nel terreno e nel tunnel durante un evento sismico. L’obiettivo è creare una sorta di filtro ad ampio spettro, in grado di ridurre il movimento trasmesso alla struttura senza comprometterne rigidezza e resistenza durante il normale utilizzo.

Una delle intuizioni più interessanti di MetaTunnels è considerare il terreno non più soltanto come un elemento di cui tenere conto nella progettazione, ma come una componente da sfruttare. Il terreno, infatti, modifica le caratteristiche delle onde sismiche in termini di frequenza, ampiezza e direzione. Il progetto vuole utilizzare proprio queste trasformazioni per “accordare” il metamateriale alle caratteristiche dinamiche del sistema terreno-tunnel e aumentarne l’efficacia.

A rendere ancora più innovativa la ricerca sarà il ricorso al calcolo quantistico. Gorini lavora già con il Cern allo sviluppo di algoritmi quantistici applicati alla simulazione e all’ottimizzazione di problemi ingegneristici complessi. In MetaTunnels queste metodologie serviranno a esplorare un numero enorme di possibili configurazioni del rivestimento, individuando quelle più efficaci nel proteggere le infrastrutture dalle sollecitazioni sismiche.

Dalla teoria si passerà quindi alla sperimentazione. I primi prototipi dell’Rml saranno realizzati all’Università di Trento attraverso tecnologie avanzate di stampa 3D. Successivamente, la validazione sarà condotta insieme all’Università di Dundee, in Scozia, mediante prove di centrifuga geotecnica su modelli in scala ridotta. I ricercatori potranno così confrontare direttamente il comportamento di tunnel dotati del nuovo rivestimento con quello di strutture tradizionali.

La prospettiva applicativa è ampia. Il sistema è pensato sia per le nuove opere sia per l’adeguamento di quelle esistenti, attraverso elementi modulari capaci di integrare o sostituire i rivestimenti convenzionali. Potrebbero beneficiarne gallerie ferroviarie e stradali, infrastrutture energetiche, condotte e altre opere sotterranee strategiche.

MetaTunnels mette così insieme tre frontiere della ricerca – ingegneria geotecnica, metamateriali e calcolo quantistico – con un obiettivo molto concreto: trasformare il modo in cui si progettano le infrastrutture sotterranee nelle aree a rischio sismico.

Il riconoscimento europeo dà al progetto anche una significativa spinta finanziaria. Gli Erc Starting Grant possono arrivare a 1,5 milioni di euro per un periodo massimo di cinque anni e sono destinati a ricercatori nella fase iniziale della loro carriera indipendente. MetaTunnels è uno dei progetti italiani selezionati nell’ultima tornata, che ha premiato 421 ricercatori europei a fronte di 4.807 proposte presentate. Per l’Università di Trento si tratta del 51° finanziamento Erc ottenuto dal 2007 nelle diverse categorie.

Dalla stampa 3D alle simulazioni quantistiche, la scommessa di Gorini è dunque quella di progettare un tunnel capace di fare qualcosa di più che resistere a un terremoto: imparare a filtrarlo.

Foto, Davide Noe Gorini