DOCUMENTO DI VISIONE STRATEGICA DECENNALE DELL`INRIM

Istituto Nazionale Ricerca Metrologica
DOCUMENTO DI VISIONE STRATEGICA
DECENNALE DELL’INRIM
28 luglio 2010
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM)
Strada delle Cacce 91 - 10135 Torino, Italy
tel +39 011 39191
fax +39 011 346384
www.inrim.it
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INDICE
EXECUTIVE SUMMARY ................................................................................................. 3 PREMESSA ................................................................................................................ 4 1 IL CONTESTO ...................................................................................................... 4 1.1 La metrologia ........................................................................................... 4 1.2 La ricerca metrologica internazionale e il piano di sviluppo europeo (EMRP)................ 5 1.3 L’accordo internazionale MRA ....................................................................... 6 1.4 Gli Istituti metrologici nazionali in Italia ........................................................... 7 2 LA COLLOCAZIONE DELL’INRIM ................................................................................ 7 3 LA VISIONE STRATEGICA ........................................................................................ 8 4 LE LINEE STRATEGICHE ......................................................................................... 9 4.1 Metrologia fondamentale ............................................................................. 9 4.2 Metrologia applicata .................................................................................. 10 4.3 Metrologia interdisciplinare ......................................................................... 12 4.4 Settori metrologici emergenti....................................................................... 15 INRIM Technical Note n. –28/7/2010
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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
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 (Bioscienze, Ingegneria dei Materiali e Tecnologie
delle Comunicazioni).
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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.
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
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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
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
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delle tecnologie emergenti. Come conseguenza gli istituti Metrologici dovrebbero attrezzarsi per
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 2008-2010 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)
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.
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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
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:
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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.
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
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;
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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, 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
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.
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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.
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 1x10-17. 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.
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,
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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
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.
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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.
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:
- 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.
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- 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
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.
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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
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
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
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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
intende rispondere. Le aree che necessitano di un particolare intervento dal punto di vista
metrologico sono:
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
biomedici.
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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
la complessa dipendenza delle funzionalità richieste dalle proprietà microscopiche. La
correlazione delle proprietà microscopiche di materiali o dispositivi con le proprietà
macroscopiche utili per le applicazioni è da sempre competenza dell’INRIM. Ad esempio, una
accurata determinazione delle proprietà di trasporto termico è essenziale per migliorare l’utilizzo
dell’energia, in particolare per lo sviluppo e l’impiego dei nuovi materiali isolanti e per la
validazione dei modelli di certificazione energetica dell’ambiente costruito. Più in generale,
l’interesse metrologico odierno è orientato alla validazione e comprensione delle interrelazione
tra misure in 4 aree: proprietà fisico-chimiche, analisi strutturale e di composizione, proprietà
costitutive di materiali, modellazione dei materiali. L’acquisizione di competenze specifiche in
queste aree consentirà di soddisfare i requisiti stabiliti dalle Direttive Europee e dalla
certificazione.
ICT
Nel settore delle reti di comunicazione wireless, della trasmissione radio-televisiva e delle
telecomunicazioni, la tecnologia e le tecniche di trasmissione sono evolute così rapidamente che
mancano oggi i riferimenti metrologici per molte grandezze di interesse, sia nel settore delle
misure elettriche ed elettroniche, sia in quello emergente delle grandezze di tipo “fisiologico”, o
comunque, legate ai parametri riferibili alla salute umana e, più in generale, all’ambiente di vita
e di lavoro. Si dovranno, quindi, studiare e sviluppare riferimenti e tecniche di misura per le
modulazioni numeriche ampiamente diffuse nel mondo delle radio- e tele-comunicazioni, le
grandezze elettriche di riferimento, sia nel dominio del tempo (studio di fenomeni impulsivi,
caratterizzazione di dispositivi elettronici ad alta velocità), sia nel dominio della frequenza e per
frequenze sempre più elevate (decine o anche centinaia di gigahertz), la compatibilità
elettromagnetica dei diversi sistemi e reti wireless, dei dispositivi di comunicazione mobile e di
diagnostica medica “personale” (dispositivi hand-held, body-mounted) operanti
contemporaneamente e negli stessi ambienti, in modo da evitare interferenze e
malfunzionamenti, con ricadute nell’ambito della sicurezza (security).
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