Questo articolo è inserito in Elettromagnetismo e Quattro passi nella Storia della Scienza

 

La capacità di condividere informazioni attraverso l’interscambio vocale e scritto è alla base del processo di civilizzazione umano. Tale capacità, tuttavia, nonostante la sua vitale importanza, ha avuto un’evoluzione molto lenta in quanto vincolata dai limiti imposti dalla tecnologia di tempo in tempo disponibile (i messaggi hanno viaggiato per secoli alla velocità di uomini, cavalli, navi, piccioni viaggiatori…). Fino a quando, negli anni ’30 del XIX secolo, avvenne una prima importante svolta: fu inventato il telegrafo elettrico, ovvero il primo strumento per comunicare a distanza “simultaneamente” (o, per essere più precisi, alla velocità della luce) che venne impiegato per brevi e semplici messaggi di servizio in ambito ferroviario, come alternativa ai segnali luminosi "a vista".

Ma doveva ancora passarne tanta di acqua sotto i ponti prima che le telecomunicazioni prendessero il volo...

Nel 1845 accadde un fatto che portò all’attenzione dell’opinione pubblica la grande utilità della comunicazione a distanza: si tratta del primo arresto di un uomo, reso possibile dalla tecnologia delle telecomunicazioni (John Tawell, sospettato di omicidio, fu visto salire su un treno a Londra e, tramite il telegrafo, venne informata la stazione di arrivo). Questo evento dette un grande impulso alla ricerca affinché le comunicazioni telegrafiche venissero migliorate (in termini di velocità e precisione), in modo che potessero uscire dal limitato campo di applicazione a cui sembravano destinate, per diventare di uso comune.

Nel frattempo, grazie alle intuizioni sperimentali di Michael Faraday sull’esistenza di campi elettrici e magnetici e sulla loro interdipendenza (1831) e alla successiva formalizzazione matematica ad opera di James Clerk Maxwell (che intuì anche la natura elettromagnetica della luce), nel 1873 vide la luce la teoria dell’elettromagnetismo, ovvero la colonna portante del futuro sviluppo delle neonate telecomunicazioni.

La svolta decisiva si ebbe quando, sul finire del secolo, Heinrich Rudolph Hertz costruì il primo prototipo di antenna (il dipolo hertziano), capace di trasformare messaggi in segnali trasportati da onde elettromagnetiche.

Gli esperimenti di Hertz entusiasmarono un giovane appassionato di fisica e di elettricità: si chiamava Guglielmo Marconi e, dopo essere riuscito a fare squillare un campanello inviando un segnale senza fili da una parte all’altra di una stanza, si convinse che sarebbe riuscito a fare squillare campanelli sempre più lontani: nel 1895 trasmise un segnale oltre una collinetta prospiciente casa sua (2 km), nel 1898 superò i 50 km del canale della Manica e, contro ogni previsione, nel 1901, da un’antenna alta 130 metri situata in Cornovaglia, trasmise un segnale che viaggiò per 3000 km e fu ricevuto in Canada. Lui ancora non lo sapeva, ma quel segnale raggiunse il Canada grazie al potere riflettente di uno strato ionizzato dell’atmosfera terrestre, teorizzato l’anno seguente da Oliver Heaviside e confermato sperimentalmente nel 1925: la ionosfera.

Dopo neanche due decenni le radiocomunicazioni avevano soppiantato quasi del tutto le comunicazioni telegrafiche e la radio sarebbe, di lì a poco, diventata di uso comune, spinta soprattutto dal bisogno di comunicare a grande distanza generato dai conflitti mondiali: nel 1940 non c’era campo di battaglia nel mondo che non fosse dotato di ricevitori radio portatili, erano gli antenati dei moderni telefoni cellulari.

Ma come si propagano le onde radio?

In generale le onde elettromagnetiche sono di tipo sferico, ovvero si diffondono in tutte le direzioni a partire dal punto in cui sono generate, a meno che non siano trasmesse da apparecchi in grado di orientarle. Ma non tutti i tipi di onde si comportano allo stesso modo: a seconda della loro frequenza sono influenzate dalle caratteristiche dello spazio nel quale si muovono.

Nelle radiotrasmissioni vengono utilizzate principalmente due tipi di onde:

Onde di terra – seguono da vicino la superficie terrestre e raggiungono grandi distanze (oltre 400 km)

Onde spaziali – si irradiano nell’atmosfera e sono riflesse dalla ionosfera (onde corte) oppure si disperdono nello spazio (onde a frequenza superiore)

 

Le onde che trasportano il segnale dei telefoni cellulari appartengono a questa seconda categoria. Ciascuna antenna fissa (stazione radio base SRB) serve una determinata porzione di territorio (c.d. cella) e comunica tramite la trasmissione radio con i cellulari presenti nel suo territorio.

In questa applicazione sono importanti altri fenomeni della propagazione come quelli dovuti alla interazione delle onde radio con il terreno, gli edifici, la vegetazione ed il corpo dell'utilizzatore.

A loro volta le SRB sono collegate alla restante rete di telecomunicazione tramite collegamenti in rame, fibra ottica o ponte radio.

 

 

Ad ogni SRB viene assegnata una gamma di frequenze, ovvero un intervallo compreso tra due frequenze limite, la cui ampiezza si chiama banda e dipende dalla complessità del segnale che deve essere trasmesso.

Essendo lo spettro delle onde elettromagnetiche una risorsa esauribile, esistono accordi nazionali ed internazionali per regolarne l’uso. Tuttavia, data la crescita esponenziale del bisogno di canali a banda sempre più ampia (per trasmettere testi, parole, musica, dati, immagini fisse e in movimento), la ricerca scientifica e tecnologica lavora incessantemente per migliorare e rendere più efficiente l’utilizzo dello spettro elettromagnetico, al fine di estendere progressivamente la c.d. INTERNET DELLE COSE (IOT acronimo di “Internet of things”), per la quale tutti i dispositivi elettronici devono poter essere connessi a internet e gestiti da remoto.

Se non nutriamo alcun dubbio sul fatto che si troveranno le soluzioni tecnologiche per garantire la connettività globale, ne nutriamo molti sul fatto che ciò avverrà in modo etico e rispettoso dell'ambiente... il riferimento ai satelliti Starlink, che sorge spontaneo, non è puramente casuale.

 

Per approfondire la conoscenza dello spettro elettromagnetico, è altamente consigliata la lettura di "Dall'atomo alle stelle e viceversa: struttura atomica, righe spettrali ed elettroni saltellanti"