Zoom sulla Terra: la nuova matematica potrebbe rendere più sicuro lo stoccaggio di CO2
Per affrontare i cambiamenti climatici, immagazzinare l’anidride carbonica in profondità nel sottosuolo è una delle strategie più promettenti. Ma per rendere questo processo sicuro e affidabile, occorrono immagini nitide di ciò che si trova sotto la superficie terrestre. È qui che entrano in gioco la matematica e il progetto GEODPG(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE. Sotto la guida della matematica Judit Muñoz Matute presso il Centro basco per la matematica applicata (BCAM) di Bilbao, in Spagna, GEODPG si è prefissato di progettare metodi più intelligenti per risolvere le complesse equazioni che descrivono i processi fisici nel sottosuolo. Il progetto, supportato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie e svoltosi tra il 2022 e il 2025, ha lavorato per rendere l’immaginografia sismica più nitida ed efficiente.
La matematica della Terra
Al centro del progetto ci sono le equazioni differenziali parziali (EDP), i cavalli di battaglia della matematica usati per descrivere il modo in cui elementi come il calore, la pressione o le onde si muovono nello spazio e nel tempo. «Le equazioni differenziali parziali descrivono come evolvono le grandezze fisiche. Sono essenziali per modellare la fisica, ad esempio per capire come viaggiano le onde sonore che ci permettono di sentire, o come si diffonde il calore quando cuciniamo», spiega Muñoz Matute. «Nel nostro caso, le usiamo per modellare le onde grazie a cui studiamo il sottosuolo terrestre, proprio come gli ultrasuoni medici rivelano le strutture nel corpo umano.» Tuttavia, risolvere queste equazioni per problemi reali, come la mappatura degli strati di roccia porosa per lo stoccaggio di CO2, è estremamente complesso. I metodi tradizionali, infatti, spesso richiedono un’enorme potenza di calcolo, ma non riescono a cogliere i dettagli più importanti.
Simulazioni più intelligenti
Per superare questo problema, il team GEODPG ha sviluppato nuove tecniche di adattamento spazio-temporale utilizzando il metodo Petrov-Galerkin discontinuo (DPG). L’idea è quella di dividere lo spazio sotterraneo e il flusso del tempo in piccoli «pixel» e «fotogrammi», per poi ingrandirli automaticamente all’aumentare della complessità. «Alcune regioni o momenti sono più complicati e necessitano di maggiori dettagli rispetto ad altri», afferma Muñoz Matute. «Le tecniche di adattamento spazio-temporale si concentrano automaticamente su questi aspetti, permettendo un risparmio di tempo e di lavoro di calcolo altrove. Il metodo DPG garantisce che i risultati rimangano accurati, anche per problemi molto complessi.» Il progetto ha prodotto nuovi algoritmi e software in grado di eseguire simulazioni più rapide e precise, applicabili ai processi geofisici. Queste innovazioni consentono di creare immagini più nitide del sottosuolo, di individuare i punti deboli da cui potrebbe fuoriuscire CO2 e di valutare meglio dove è possibile stoccare il carbonio in modo sicuro.
Dalla ricerca all’impatto reale
Finora il progetto si è concentrato sulla creazione e sulla convalida degli strumenti matematici. Prima di poter essere utilizzato nell’industria, il software deve superare una rigorosa certificazione per garantirne l’affidabilità in operazioni ad alto rischio, come lo stoccaggio di CO2. Tuttavia, le implicazioni sono significative. «Descrivere accuratamente il sottosuolo è fondamentale per uno stoccaggio sicuro della CO2», afferma Muñoz Matute. «Se riusciamo a simulare la propagazione delle onde in modo più preciso, possiamo identificare tempestivamente potenziali zone deboli o percorsi di perdita. Questo rende il sequestro della CO2, e persino altre applicazioni come l’energia geotermica, più sicuri e affidabili.»
Guardare avanti
Come spiega Muñoz Matute, il progetto riflette la sua passione nell’utilizzare la matematica astratta per affrontare urgenti problemi globali. «Le stesse idee che spiegano come si muovono le onde possono anche aiutarci a combattere i cambiamenti climatici. Trovo gratificante contribuire con strumenti matematici che proteggono il nostro pianeta.» I prossimi passi del progetto prevedono l’estensione dei metodi a problemi più complessi e l’esplorazione delle sinergie con l’intelligenza artificiale. Nel prossimo decennio, Muñoz Matute spera che questo lavoro fornirà nuovi potenti strumenti non solo per la geofisica, ma anche per settori come la biologia computazionale.
