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Fotonica: l’innovazione che aiuta medicina, industria e non solo

La fotonica promette di contribuire all’innovazione tecnologica in vari campi: dall’elettronica all’auto, dalla diagnostica medica all'agricoltura

Andrea Ballocchi
4 giugno 2020
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Si chiama fotonica e si presenta come una delle tecnologie più interessanti per molti campi: dalla medicina all’automotive. In campo medico promette capacità straordinarie per rapidità e precisione nella diagnostica di tumori o di altre patologie, nel settore dell’elettronica consente di realizzare particolari componenti a basso costo, più integrati, efficienti e performanti; nell’automotive prefigura la possibilità di realizzare dispositivi capaci di proiettare sul cruscotto immagini ad altissima risoluzione di radio e navigatori, senza più doverli installare.

Cos’è la fotonica

La fotonica è la branca dell’ottica che studia i metodi di controllo della propagazione dei fotoni che compongono la luce. Il termine copre tutti i processi che usano la radiazione elettromagnetica coerente nella scienza (medicina, biologia e tecnologie), non includendo però l’illuminazione con le semplici e convenzionali sorgenti ottiche, ma comprendendo i laser e i LED.

Le applicazioni fotoniche utilizzano il fotone nello stesso modo in cui le quelle elettroniche impiegano l’elettrone. I dispositivi che funzionano con la luce hanno una serie di vantaggi rispetto a quelli elettrici. La luce viaggia a una velocità circa 10 volte superiore a quella dell’elettricità, il che significa che i dati trasmessi fotonicamente possono percorrere lunghe distanze in una frazione del tempo. Inoltre, i fasci di luce visibile e infrarossi, a differenza delle correnti elettriche, passano senza interagire, evitando così di causare interferenze. Un esempio: una singola fibra ottica ha la capacità di trasportare tre milioni di chiamate telefoniche contemporaneamente.

luce fotonica

Foto: Pixabay

Fotonica: un mercato che vale quasi un miliardo di dollari

Per questo il mercato globale della fotonica si prevede crescerà da 556,4 miliardi di dollari nel 2018 a 780,4 miliardi di dollari entro il 2023 (fonte: Markets and Markets).

L’Europa ci crede e ha deciso di investire nel settore 700 milioni di euro attraverso il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020. L’Italia può avere un ruolo importante in questa tecnologia che promette grandi prestazioni, permettendo un’elevata efficienza energetica e risparmio di materie prime.

La fotonica e ambiti di applicazione

Ed è proprio l’Ict – Information and communication technology il settore più interessato in quanto trainato dall’aumento dell’utilizzo dei dati e dal numero crescente di utenti di Internet. I progressi tecnologici nel campo della tecnologia Ict, come la digitalizzazione e la connettività internet ad alta velocità in fibra ottica, dovrebbero dare impulso al mercato della fotonica, come pure il 5G, la tecnologia di rete mobile capace di garantire a pieno regime prestazioni e velocità decisamente superiori dell’attuale 4G.

Tra gli ambiti di applicazione più promettenti c’è quello dell’elettronica di consumo che spazia dagli orologi ai dispositivi di olografia, gli scanner, i dispositivi ottici per computer come il mouse ottico e i dispositivi indossabili. La fotonica promette di far avanzare in maniera notevole la capacità di calcolo dei dispositivi finora usati, aprendo all’era dei computer quantistici, che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica per elaborare i dati e in alcuni campi sarà esponenzialmente più veloce di una macchina tradizionale.

L’applicazione di questa branca dell’ottica interessa anche la medicina, specie la diagnostica medica, in particolare nello sviluppo di metodi diagnostici non invasivi.

Fotonica in Italia: i progetti di ricerca nazionali e internazionali

Sono diversi progetti di ricerca sulla fotonica in Italia. A cominciare dall’ENEA, l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile. Il suo piano triennale 2020-2022, con investimenti previsti per oltre 420 milioni di euro in nuove infrastrutture, comprende sei obiettivi specifici. Tra questi rientra lo sviluppo di tecnologie basate sull’uso di radiazioni ionizzanti e non per applicazioni mirate anche alla fotonica, in particolare su sorgenti e rivelatori miniaturizzati. Inoltre, l’ente specifica che intende sviluppare e implementare sensori e sistemi per attività di security, safety e applicazioni forensi.

luce fotonica

Foto: Pixabay

Anche le Regioni si muovono per sostenere attività riguardanti la fotonica. Una è la Toscana, che all’inizio di maggio ha annunciato un intervento da 30 milioni di euro per sostenere gli investimenti in ricerca e sviluppo, in particolare quelli coerenti con la strategia Industria 4.0. Per questo intende finanziare progetti legati alle priorità tecnologiche: tra questi, Ict e fotonica.

Università e centri di ricerca lavorano su progetti dedicati alla fotonica. Tra questi c’è Optaphi, che vede coinvolti Politecnico e Università di Bari e intende sviluppare sensori ottici avanzati. In alcuni casi, si svilupperanno sensori compatti da montare sui droni per il monitoraggio ambientale oppure sensori di sicurezza per monitorare eventuali fughe di gas.

La fotonica applicata a agricoltura, spazio e medicina

La fotonica entra in gioco per migliorare l’osservazione terrestre dallo spazio. Per questo l’Unione Europea finanzia il progetto innovativo Spacebeam, che vede la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa nel ruolo di coordinatore, intendendo sfruttare le competenze sviluppate nell’ambito delle tecnologie fotoniche per progettare, realizzare e testare un ricevitore di nuova generazione per sistemi complessi per l’osservazione terrestre da satellite.

Lo stesso ente pisano, attraverso l’Istituto di Tecnologie della Comunicazione, dell’Informazione e della Percezione (Tecip) ha avviato il Progetto PoC-BoSens il cui obiettivo è realizzare un prototipo che potrebbe diventare il primo dispositivo medico portatile basato su tecnologie fotoniche prodotto in Europa. L’idea è creare un dispositivo medico optofluidico, leggero, portatile e low cost, in grado di effettuare una diagnosi veloce e capillare di patologie collegate alle citochine, quali tumori, malattie autoimmuni o infettive.

Infine, la fotonica può essere d’aiuto anche all’agricoltura. Su questo lavora il Politecnico di Milano attraverso il Laboratorio Phood, che si occupa dello sviluppo, della caratterizzazione e dell’applicazione di tecniche fotoniche innovative per la valutazione non distruttiva della qualità dei prodotti agroalimentari.

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