Spettroscopia gamma dall'elicottero Rilevare la radioattività presente nell’aria – con maggiore precisione rispetto al passato

In caso di catastrofi nucleari è fondamentale agire con rapidità: i ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer hanno sviluppato un nuovo metodo di calcolo che consente di identificare con maggiore accuratezza il materiale radioattivo in pochi secondi e di determinarne con maggiore precisione la quantità e la posizione. Ciò migliora notevolmente l’attuale metodo di rilevamento effettuato dall’elicottero.

Esistono situazioni di emergenza che, si spera, non si verifichino mai, ma alle quali la società e il governo vogliono comunque essere preparati. Tra queste figurano la possibile fuoriuscita di radioattività a seguito di un incidente nucleare o di un attacco terroristico con materiale radioattivo. Affinché le autorità possano reagire in modo rapido ed efficace in tali casi, occorre innanzitutto valutare l’entità del pericolo per le persone e l’ambiente. In situazioni del genere verrebbero quindi impiegati, tra l’altro, laboratori volanti, ovvero rilevatori installati su elicotteri che determinano la posizione, il tipo e la quantità del materiale radioattivo.

Nella sua tesi di dottorato, svolta presso il laboratorio di taratura e calibrazione del dipartimento di radioprotezione e sicurezza dell’Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, David Breitenmoser ha sviluppato strumenti matematici che migliorano notevolmente l’analisi dei dati in un laboratorio volante: il materiale radioattivo può essere identificato con maggiore precisione, e in pochi secondi. I risultati di questa ricerca sono stati ora pubblicati sulla rivista specializzata *Nature Communications*. Il nuovo metodo di analisi non è rilevante solo in caso di catastrofi, ma può essere applicato, ad esempio, anche al monitoraggio degli impianti nucleari.

L'impronta digitale distorta

«Ogni materiale radioattivo presenta un’impronta caratteristica data dai raggi gamma che emette durante il decadimento radioattivo», afferma Breitenmoser. Questa impronta è costituita dallo spettro energetico dei raggi gamma, che può essere misurato con un rilevatore speciale. In linea di principio, dalla distribuzione delle energie dei raggi gamma è possibile dedurre sia il tipo di materiale sia la sua quantità.

C'è però una difficoltà: i fotoni gamma emessi dal materiale – ovvero particelle di luce ad alta energia – vengono dispersi sia dall'aria che dall'elicottero in cui si trova il rivelatore mentre si dirigono verso quest'ultimo. Ciò modifica lo spettro energetico. In altre parole: l’impronta viene distorta e non è quindi più immediatamente riconoscibile.

Per capire in che modo una determinata impronta radioisotopica venga distorta e calibrare di conseguenza il rilevatore, i ricercatori simulano questi effetti al computer. Tali calcoli sono tuttavia molto complessi e possono richiedere diverse ore o addirittura giorni. Per applicazioni in cui il tempo è un fattore critico, come nel caso di un incidente nucleare, non sarebbero quindi praticabili.

«Le simulazioni sono molto lente anche perché finora sono state piuttosto inefficienti», afferma Breitenmoser. Ad esempio, dei circa diecimila fotoni gamma emessi da una sorgente radioattiva a terra, solo uno raggiunge l’elicottero – e anche quello viene ulteriormente diffuso dalle numerose superfici metalliche presenti all’interno dell’elicottero.

Come si misura la radioattività presente nell’aria? Occorre un rilevatore high-tech, un elicottero e un algoritmo sofisticato . David Breitenmoser del PSI spiega come funziona in un breve video su YouTube. (Fonte: Istituto Paul Scherrer PSI/Benjamin A. Senn, Markus Fischer, Monika Bletry e Mahir Dzambegovic)

Simulazioni più veloci grazie alla suddivisione

Anziché simulare l’intero percorso dei fotoni gamma dal suolo al rivelatore in volo, Breitenmoser, con il suo nuovo metodo, suddivide il problema in due parti. La diffusione nell’aria viene calcolata separatamente, tenendo conto, ad esempio, della temperatura attuale dell’aria e dell’altitudine di volo dell’elicottero nelle simulazioni. L’ulteriore diffusione all’interno dell’elicottero, che dipende tra l’altro dalla sua assetto di volo, viene presa in considerazione tramite funzioni matematiche calcolate in precedenza. In questo modo, una simulazione completa richiede solo pochi microsecondi anziché diverse ore.

Tuttavia, la rapidità di calcolo da sola non è ancora sufficiente per identificare senza ombra di dubbio l’impronta digitale distorta. Poiché solo pochissimi fotoni gamma raggiungono il rivelatore, la statistica è estremamente scarsa: invece di linee nitide, si vedono solo forme larghe e sfocate. «Finora il gold standard è stato quello di raggruppare diversi valori energetici nello spettro. Questo metodo, pur migliorando la significatività statistica della misurazione, porta tuttavia a un’immagine più grossolana e quindi a una minore quantità di informazioni dettagliate», afferma Malgorzata Kasprzak, responsabile del laboratorio di calibrazione presso il PSI e coautrice del nuovo studio. Il nuovo approccio rinuncia a tale aggregazione. Al suo posto, la cosiddetta modellizzazione bayesiana viene applicata direttamente all’intero spettro.

Risultato preciso in pochi secondi

Il metodo bayesiano si basa sulle probabilità: per identificare uno spettro energetico nonostante le statistiche insufficienti, il computer simula la diffusione dei fotoni gamma dal suolo fino al rivelatore per migliaia di possibili spettri iniziali in diverse proporzioni. Grazie alla suddivisione dei calcoli, il processo avviene molto rapidamente. La modellizzazione bayesiana calcola quindi quale spettro iniziale sia il più probabile corrispondente allo spettro distorto misurato dal laboratorio volante.

«In questo modo, in futuro potremo distinguere tra loro, in pochi secondi e con una sola misurazione effettuata dall’elicottero, campioni debolmente radioattivi di bario o cesio, determinarne l’intensità con elevata precisione e localizzarne con esattezza la posizione», afferma Alberto Stabilini, che per conto del PSI partecipa all’esecuzione di voli di misurazione aeroradiometrica in Svizzera.

A maggio e giugno 2025, ad esempio, nell’ambito della campagna di misurazione annuale sono stati effettuati voli nelle vicinanze delle centrali nucleari di Mühleberg e Gösgen. Nel corso di un'esercitazione internazionale che ha coinvolto 140 partecipanti provenienti da sei paesi, sei elicotteri e cinque droni, sono stati inoltre simulati diversi scenari, tra cui la ricerca di fonti radioattive. Tali voli di misurazione, che consentono anche di redigere mappe di riferimento sulla radioattività naturale, rappresentano, oltre alla protezione in caso di emergenza, un importante campo di applicazione per il metodo di analisi sviluppato.

«Ma ce ne sono anche molti altri», afferma Breitenmoser. Infatti, grazie alla sua elevata sensibilità e precisione, il metodo è generalmente adatto a localizzare e caratterizzare fonti radioattive deboli presenti nel suolo. Ciò può rivelarsi utile, ad esempio, nelle indagini geofisiche del sottosuolo o per il monitoraggio dei materiali nucleari da parte dell’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA).

Pubblicazione originale: David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Malgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer: Spettrometria quantitativa mobile dei raggi gamma tramite inferenza bayesiana, Nature Communications, 26/10/2026; DOI: 10.1038/s41467-026-78464-2