Come salvare la Cupola del Brunelleschi

La Cupola del Brunelleschi è a tutti gli effetti considerata una delle più importanti opere ingegneristiche nella storia dell’umanità, soprattutto perché la tecnica con la quale è stata costruita rimane ancora oggi un segreto. La Cupola si erge su otto spicchi, chiamate vele, organizzati su due calotte separate da uno spazio vuoto per attribuire un alleggerimento della struttura che altrimenti sarebbe risultata troppo pesante. Di questo meraviglioso progetto non sono mai stati rinvenuti schizzi o tavole che ne rappresentassero i particolari costruttivi o gli schemi statici: Brunelleschi ha solamente costruito un modello in legno e mattoni del suo progetto, ma ha deliberatamente omesso i dettagli cruciali e non ha lasciato progetti completi cosicché i suoi rivali non si potessero appropriare dei suoi segreti.

Se da un lato questa aurea di mistero rende ancora più iconica questa struttura, da un lato rende complicato progettare interventi di manutenzione e di retrofitting per mantenerne il buono stato e prolungarne così la vita utile. Ecco perché Elena Guardincerri, ricercatrice ai Laboratori del Gran Sasso dell’Infn e a Berkley, pensa di poter aiutare a risolvere parte del mistero con l’aiuto di una particella subatomica chiamata muone.

Come funziona la cupola

Seppur non sia ancora certo da chi Brunelleschi abbia preso ispirazione per la costruzione della cupola data la sua unicità, il funzionamento è molto simile alla catenaria rovesciata utilizzata nel Pantheon, forma che ha la proprietà di avere in ogni suo punto una distribuzione uniforme del suo peso totale. Le strutture realizzate secondo tale curva rovesciata subiscono soltanto sforzi di compressione, e per questo i materiali più utilizzati sono mattoni e calcestruzzo. La cupola del Pantheon è realizzata in un unico gusto di calcestruzzo dal diametro di 43,44 metri e dal peso di più di 5000 tonnellate, mentre quella del Brunelleschi ha due gusci, uno interno molto spesso e un guscio esterno molto più sottile. Mentre però gli espedienti per la costruzione della cupola del Pantheon sono noti, come l’uso di sette anelli concentrici di acciaio posti alla base per renderla una struttura non spingente, quelli per la cupola del Duomo di Firenze rimangono ancora nascosti. Gli storici però credono che Brunelleschi abbia utilizzato tre paia di grosse catene di pietra, ancora parte integrante della struttura, le quali avevano il compito di applicare una pressione sufficiente a tenere i mattoni in posizione mentre la malta si stabilizzava.

Quasi immediatamente, tuttavia, nella struttura si sono formate delle crepe, anche se molto lentamente. “Nessuno si aspetta che la cupola cada presto” ha detto Guardincerri. “Ma uno sforzo fallito di restauro negli anni ’80 ha esacerbato il problema, aggiungendo un maggiore senso di urgenza alla ricerca di preservare la cupola, che è una delle principali attrazioni turistiche di Firenze. Tuttavia, la mancanza di informazioni dettagliate sulla struttura interna rimane un ostacolo. I restauratori hanno impiegato molti metodi diversi nel corso degli anni per cercare di colmare le proprie lacune nella conoscenza. Nel 1987, 300 diversi dispositivi sono stati collegati alla cupola, spingendo il New York Times a dichiararla “la struttura più attentamente monitorata del mondo”. Ma il guscio interno è così spesso che i metodi convenzionali non riescono a penetrarlo. In particolare, sarebbe bello sapere se le catene di pietra utilizzate per stabilizzare la cupola siano state rinforzate con barre di ferro, morsetti o più catene per fortificare la sua integrità strutturale. Ecco dove i muoni dovrebbero essere in grado di aiutarci.”

Cosa sono i muoni

Non è la prima volta che sentiamo parlare di questa particella subatomica. A fine 2017 infatti il fisico vincitore del premio Nobel, Luis Alvarez, mise in pratica le immagini dei muoni sulla mappa quando collaborò con gli archeologi egiziani per cercare camere nascoste all’interno della Grande Piramide di Giza, interessante scoperta di cui abbiamo parlato sulla nostra pagina (Scoperta una stanza segreta nella piramide di Cheope). La tecnica che verrà utilizzata per scoprire il segreto della cupola è la muografia, procedimento che permettere di interpretare il cammino dei muoni, particelle subatomiche che sono prodotte dall’interazione dei raggi cosmici provenienti dallo spazio con l’atmosfera terrestre. Il principio fondamentale è che queste particelle seguono traiettorie diverse a seconda che si spostino nell’aria oppure attraversino materiali differenti come la pietra o il ferro. Più è denso l’oggetto che viene catturato, più i muoni sono bloccati, proiettando un’ombra rivelatrice: se Brunelleschi avesse usato barre di ferro per fortificare la sua cupola si potrebbero mostrare come macchie più scure sul rilevatore, svelando finalmente il segreto della sua costruzione.

La sperimentazione

Durante l’estate 2015 Guardincerri e i suoi studenti hanno costruito un modello della spessa calotta interna della cupola in mattoni di cemento, che hanno proprietà simili ai mattoni di argilla usati per costruire l’originale, e barre di ferro incorporate di vario spessore al suo interno. Hanno piazzato i rilevatori di muoni su entrambi i lati del muro di 6 metri di spessore e raccolto dati per 35 giorni. Dopo soli 17 giorni, tutte le barre di ferro erano chiaramente visibili nell’immagine risultante.

Questi risultati incoraggianti hanno spinto la ricerca al livello successivo, e nei prossimi mesi i rivelatori saranno montati nella cupola stessa: uno sarà installato sulla parete interna e il secondo si fermerà tra i due gusci. Il team raccoglierà i dati per un mese in quella posizione e poi sposteranno i rilevatori due metri più in alto per un altro mese di raccolta dei dati e così via, fino a quando l’intera cupola non sarà ripresa. Solo allora potremmo sapere una volta per tutte se sono presenti rinforzi di ferro all’interno della cupola. Una piccola scoperta ma che risulterà fondamentale per la vita di questo splendido esempio di architettura e ingegneria.