La convergenza tecnologica nelle osservazioni della Terra dallo spazio

Così come il genoma, il cervello e l’atomo, cui sono rispettivamente associati la biologia sintetica, le neurotecnologie e le tecnologie quantistiche, anche lo spazio è un terreno fertile per la convergenza di diversi ambiti scientifici e per la generazione di innovazione tecnologica.

Le osservazioni satellitari forniscono informazioni sulla superficie della Terra, sulla sua atmosfera, sugli oceani e contribuiscono a supportare i processi decisionali in molti settori, dall’ambiente all’economia, passando per la sicurezza. Non è un caso che gli interessi e gli investimenti in questo settore vengano sia da enti pubblici sia dai privati.

“I nuovi sistemi di osservazione della Terra non si basano più esclusivamente sui progressi dell’ingegneria satellitare, ma combinano sempre più i progressi nell’ottica, nei laser, nel cloud e nel computing, nell’intelligenza artificiale, nelle tecnologie quantistiche, nella robotica e nelle reti di sensori in situ” si legge sul rapporto OCSE 2025 su scienza, tecnologia e innovazione. “Questa integrazione consente la raccolta, l’elaborazione e la diffusione dei dati quasi in tempo reale, supportando applicazioni come il monitoraggio meteorologico, la risposta ai disastri e l’intelligence strategica”.

Destinazione Terra

Alcuni esempi che costituiscono veri e propri poli di innovazione in questo settore sono il Φ-Lab dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e il Jet Propulsion Laboratory della National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti. Qui si incontrano specialisti dell’osservazione della Terra, ricercatori di intelligenza artificiale, esperti di ottica, robotica e tecnologie quantistiche, che provengono anche dall’industria, e che producono novità che non potrebbero emergere in altri contesti.

Tutte queste competenze diverse confluiscono in progetti specifici e altamente interdisciplinari, come per esempio Destination Earth dell’Unione Europea, che intende riprodurre un gemello digitale della Terra capace di simularne le complesse dinamiche fisiche e climatiche, per supportare le azioni di mitigazione delle emissioni e di adattamento agli eventi meteorologici estremi.

Questa e altre iniziative nazionali condividono un approccio simile: integrare le immagini satellitari con i dati provenienti da reti di sensori (Internet of things) installati in situ, per informare modelli meteorologici sempre più accurati. Per realizzare tutto questo servono sistemi di calcolo ad alte prestazioni (High-Performance Computing) e modelli di intelligenza artificiale in grado di trasformare grandi masse di dati in informazioni leggibili e utilizzabili anche in tempo reale, che possono venire poi poi ulteriormente elaborate da diversi attori pubblici e privati.

Laser e ottica

Oltre alla progettazione di queste complesse piattaforme digitali, i progressi nell’ambito delle osservazioni della Terra dallo spazio sono stati possibili grazie ad avanzamenti in altri settori. Tecnologie inizialmente pensate per i grandi telescopi che scandagliano le profondità dello spazio sono state adattate per creare strumenti satellitari leggeri, ad alta risoluzione e che lavorano su diverse porzioni dello spettro luminoso (multispettrali).

Allo stesso modo, progressi nella fotonica, nell’ottica quantistica e nelle sorgenti laser ad alta stabilità provenienti dalla ricerca scientifica e da varie applicazioni industriali, hanno consentito di ottenere sistemi laser di rilevamento e misurazione oggi usati nei satelliti.

AI

Negli ultimi anni è anche progressivamente aumentata l’adozione dei sistemi di intelligenza artificiale. A cavallo del nuovo millennio assieme ai satelliti di piccole dimensioni sono arrivate le prime tecniche di machine learning che hanno iniziato per esempio ad assistere l’identificazione delle coperture terrestri e delle nuvole.

Negli anni ‘10 del 2000 l’aumento di produzione di dati da parte delle costellazioni satellitari come l’europea Sentinel o la statunitense Landsat, ha consentito monitoraggi di aree via via più vaste. L’iniziativa Global Agriculture Monitoring del Group on Earth Observations per esempio ha combinato dati di osservazione della Terra, informazioni meteorologiche e modelli addestrati con l’intelligenza artificiale per “prevedere dove, quando e quali colture stessero crescendo a livello globale, a supporto della trasparenza dei mercati e dell’allerta precoce di eventuali carenze produttive”.

Dagli anni ‘20 i sistemi di AI hanno iniziato a venir montati direttamente a bordo dei satelliti per operare un pre-processamento dei dati in grado di fornire informazioni più pulite agli stadi di elaborazione successivi.

Una partnership tra NASA e IBM per esempio ha prodotto satelliti (Prithvi-EO 2.0) pre-addestrati su circa 4,2 milioni di punti dati provenienti dal dataset di Landsat e Sentinel-2, in grado di colmare le lacune nelle immagini satellitari causate dalla copertura nuvolosa, un problema ricorrente nelle osservazioni satellitari. Ciò ha permesso osservazioni più accurate del rilevamento delle frane, dell’intensità degli incendi, dell’identificazione dei modelli colturali e della mappatura delle inondazioni, ma anche delle emissioni di carbonio.

Interdisciplinarità

Secondo il rapporto OCSE, “l’uso delle immagini satellitari è associato a guadagni di produttività e a un miglioramento della qualità dei prodotti nei settori pubblico e privato. La convergenza con le tecnologie ottiche e laser, l’intelligenza artificiale, la fisica quantistica e altre tecnologie, attraverso centri di innovazione interdisciplinari e piattaforme di dati progettate come spazi di convergenza, sta consentendo ai governi dell’OCSE di usare le immagini satellitari pubbliche per favorire l’innovazione e i benefici economici”.

La produzione di innovazione che reca benefici alla società oggi è sempre più associata al fenomeno della convergenza tecnologica, di cui sono espressione alcuni ambiti che il rapporto OCSE ha approfondito: biologia sintetica, neurotecnologie, tecnologie quantistiche e osservazioni della Terra dallo spazio.

Tra le misure che contribuiscono maggiormente a massimizzare gli impatti positivi della convergenza, riducendone al contempo i potenziali rischi, ce n’è una in particolare che i governi dovrebbero adottare, sottolinea il rapporto: investire in forme sempre più avanzate di ricerca interdisciplinare.