Principali reazioni termo-nucleari nelle stelle

Le reazioni termo-nucleari sono un particolare tipo di reazioni nucleari che avvengono nelle stelle e che ne assicurano il rifornimento energetico. Esse sono la principale fonte di energia nelle stelle, in quanto la fusione di elementi leggeri (in particolare fino al ferro) risulta essere esotermica. La fusione di elementi leggeri produce elementi più pesanti, a partire dalla fusione dell'idrogeno, che produce elio, fino alla fusione del silicio, che produce nichel. Solamente le stelle con massa maggiore di 8 masse solari, tuttavia, hanno massa necessaria a raggiungere la combustione del silicio. Le stelle meno massive sono destinate ad arrestarsi alla fusione di elementi più leggeri e a diventare delle nane bianche. Oltre alla fusione di elementi leggeri, esistono altre reazioni negli interni stellari in grado di fornire energia e formare nuovi elementi. Esse sopraggingono in larga parte nelle fasi finali della vita di una stella, quando le temperature all'interno dei nuclei stellari sono particolarmente elevate. Ne sono un esempio le catture alfa, le catture neutroniche e la fotodisintegrazione. L'insieme delle reazioni termo-nucleari che avvengono nel corso della vita di una stella permettono la creazioni di nuovi elementi, che vengono poi riemessi nel mezzo interstellare tramite esplosioni di supernova e fungono da materiale fondante per la nascita di nuove stelle. Nella seguente tesi verranno affrontate le principali reazioni termo-nucleari che avvengono negli interni stellari, dalla fusione di elementi leggeri fino alle fasi finali della vita di una stella.

Illuminazione pubblica: caso studio del comune di Sesto San Giovanni

Il presente elaborato finale ha lo scopo di illustrare tutti i parametri necessari alla progettazione di un “buon” impianto di illuminazione stradale, dotato di tutte le nuove tecnologie, per un maggior risparmio energetico incentrato alla valorizzazione e riqualificazione urbana. L’illuminazione pubblica negli ultimi decenni ha ricoperto un’importanza sempre maggiore all’interno della città e del territorio aumentando in modo esponenziale la presenza di corpi illuminanti e formando spesso una vera e propria macchia di luce durante la notte. L’implementazione degli apparecchi di illuminazione ha portato ad una maggiore sicurezza e, a volte, un maggiore comfort nelle zone cittadine, ma anche un notevole aumento di costi energetici a carico delle amministrazioni comunali. Pertanto, alla luce degli ultimi mesi, è necessario incrementare i servizi tecnologici basati sull’efficientamento energetico degli impianti, in particolare, adottando sempre di più la sorgente a LED e sistemi di riduzione del flusso luminoso, in sostituzione alle lampade obsolete esistenti con un basso rendimento energetico. Con lo sviluppo del traffico veicolare degli ultimi anni, l’illuminazione urbana ha modificato il suo aspetto nelle città, concentrandosi sul rispetto dei valori prescritti per consentire una maggiore sicurezza e scorrevolezza del traffico motorizzato durante le ore notturne a discapito della valorizzazione urbana. Infatti, le statistiche hanno mostrato che il tasso degli incidenti notturni, ossia il rapporto tra gli incidenti e il numero di veicoli in circolazione, è più elevato rispetto agli incidenti durante le ore diurne.

Analisi di possibili scenari di valorizzazione degli scarti provenienti dal settore delle costruzioni e dal settore agroalimentare marchigiani

L’attuale sistema produttivo prevede un processo lineare: si prelevano materie prime, si utilizzano per realizzare il proprio prodotto e si generano scarti. Questo ha inevitabilmente portato allo sfruttamento eccessivo delle risorse del pianeta e alle problematiche relative allo smaltimento di quantità sproporzionate di rifiuti. Il sistema è evidentemente in crisi e questo non è affatto d’aiuto all’economia, tantomeno all’emergenza climatica alla quale semmai contribuisce. La simbiosi industriale si presenta come una soluzione in grado di ridurre le emissioni inquinanti e ottenere un’economia redditizia e sostenibile. La sua implementazione richiede che ci siano le giuste condizioni per riuscire a creare una vera e propria rete di aziende in connessione tra loro. L’elaborato prevede nella parte iniziale un excursus sulle pratiche di simbiosi industriale e i loro esempi, per poi concentrarsi sull’area di interesse, analizzando il tessuto imprenditoriale e sezionandolo tramite criteri di scelta, al fine di evidenziare possibili situazioni favorevoli a questa metodologia. Il lavoro è stato realizzato durante l’attività di tirocinio presso Enea, nell’ambito del progetto Marlic per la regione Marche. Lo studio si propone tuttavia di ricercare soluzioni replicabili in luoghi e contesti anche diversi da quello preso in esame; l’obiettivo è dimostrare ulteriormente l’efficacia e l’efficienza della metodologia offrendo alternative verosimili.

Immissione di idrometano in un impianto turbogas. Studio di fattibilità in un'azienda cartiera.

Per contrastare gli effetti dell’ormai inequivocabile cambiamento climatico che sta affliggendo il pianeta, nel 2015 l’Accordo di Parigi ha fissato gli obiettivi per intraprendere il processo di decarbonizzazione del settore energetico a livello mondiale. Nell’operare tale transizione risulta fondamentale individuare soluzioni alternative, che conducano principalmente all’abbattimento delle emissioni di gas serra ed altri inquinanti, e che siano allo stesso tempo in grado di assicurare il proseguimento del progresso economico. L’idrogeno, compatibile con l’impiego in un ampio ventaglio di applicazioni, può assumere un ruolo determinante nel raggiungimento di questi traguardi. Nel presente elaborato viene dunque delineata una panoramica complessiva inerente a tale tematica, dando rilievo alle tecnologie di generazione dell'idrogeno a basso impatto ambientale, in particolare quelle riguardanti l’elettrolisi dell’acqua, realizzabili attraverso l’impiego di energia elettrica generata da fonti rinnovabili. La trattazione prosegue con la presentazione del caso di studio, incentrato sull’utilizzo di idrometano, una miscela di gas naturale addizionata ad idrogeno, per la produzione di energia tramite l’impiego di quest’ultimo all’interno di un gruppo turbogas. Viene quindi eseguita una valutazione tecnico-economica, in riferimento all’industria cartiera del gruppo Pro-Gest di Mantova, riguardante la convenienza dell’installazione di un impianto per la produzione locale di idrogeno verde, destinato ad autoconsumo all’interno di una centrale cogenerativa. Il raggiungimento della competitività economica di soluzioni di natura simile a quelle esposte in questo elaborato, basate sullo sfruttamento di risorse rinnovabili, rappresenterebbe un grande passo in avanti per quanto riguarda la realizzabilità di una completa transizione ad un sistema energetico più sostenibile.

Metodo innovativo per la misura delle scariche parziali sullo statore di un veicolo ibrido

L’affidabilità e la diagnostica sono tematiche che hanno sempre ricoperto un ruolo di fondamentale importanza in ambito elettrico. Il frenetico sviluppo che sta vivendo il settore della trazione elettrica dovuto alle restrizioni introdotte dall’UE sulle emissioni di CO2 ha ulteriormente incrementato la necessità di avere componenti sempre più performanti e affidabili. Questa tesi si concentra su una delle problematiche che interessano un motore elettrico: le scariche parziali. L’obiettivo di questo progetto è proporre un metodo innovativo per la rilevazione di scariche parziali che sfrutta le emissioni elettromagnetiche prodotte dalle scariche stesse. La novità rispetto ai tradizionali metodi è la possibilità di eseguire misure anche mentre il motore è in funzione. Il caso di riferimento è quello di un banco motore ma il metodo proposto, se correttamente validato potrà essere impiegato a bordo veicolo in un contesto di normale funzionamento. I principali dispositivi che compongono il sistema di misura presentato sono: un’antenna log-periodica con banda di lavoro 500MHz a 3GHz, un rilevatore di picco LTC5564 adatto per lavorare a radio frequenze ed un oscilloscopio USB. L’antenna rileva le onde elettromagnetiche prodotte dalle scariche parziali. Il rilevatore di picco, dispositivo la cui uscita è proporzionale all’ampiezza del segnale d’ingresso, fornisce un segnale con spettro in frequenza ridotto rispetto all’originale. L’ oscilloscopio digitale (Picoscope), più economico rispetto ai tradizionali oscilloscopi, consente infine l’acquisizione dei segnali. Le principali “tappe” dello sviluppo del nuovo sistema sono state: la caratterizzazione delle onde elettromagnetiche emesse dalle scariche parziali; il miglioramento del rapporto segnale/rumore; la programmazione di un’interfaccia utente.

Ottimizzazione dell’ubicazione di hub logistici distributivi ed analisi sulla sostenibilità ambientale: il caso FAAC Technologies

Il presente lavoro di tesi si occupa di identificare le possibili ubicazioni di hub logistici distributivi del gruppo aziendale FAAC Technologies e di valutare le alternative da un duplice punto di vista: economico e sostenibile. Per raggiungere il suddetto risultato è stata dapprima studiata l’attuale configurazione logistica nel centro Europa. Unendo le caratteristiche dell’azienda con le ricerche presenti in letteratura scientifica riguardo la risoluzione di Hub Location Problem, è stato implementato un modello matematico che ottimizzi economicamente il posizionamento degli stabilimenti secondo diversi scenari organizzativi. Una seconda versione del modello valuta il rispetto dei tempi di transito da parte delle soluzioni ottenute. Infine, gli stessi scenari sono stati comparati tra loro in base all’impatto ambientale in termini di CO2 emessa nell’atmosfera per via del trasporto. Sono state studiate strategie riguardanti la logistica distributiva sostenibile e sono state proposte soluzioni in grado di mitigare gli effetti dovuti all’immissione di anidride carbonica. Gli strumenti digitali utilizzati nella presente ricerca sono stati: Excel per visualizzare ed elaborare i dati aziendali; Flourish per visualizzare i dati in mappe geografiche; MATLAB per trasformare le tariffe di trasporto in equazioni matematiche; Gurobi Optimizer per ottenere le soluzioni date dall’ottimizzazione del modello matematico, programmando attraverso il linguaggio AMPL. I risultati più significativi dimostrano la possibilità di raggiungere un risparmio economico del 16,7% dei costi logistici nel caso di ubicazione di un solo hub e del 9,8% nel caso di due hub. Dal punto di vista ambientale le medesime soluzioni comportano un aumento delle emissioni di CO2 rispettivamente del 45% e 8%. L’azzeramento di queste emissioni aggiuntive è possibile e a tal fine sarebbe necessario sostenere extra costi, i quali farebbero convergere entrambe gli scenari ad un risparmio comune pari all’8,2%.

Sistemi di testing per celle a combustibile

La tesi tratta funzionamento, ottimizzazione e applicazioni delle celle a combustibile PEM (PEM Fuel cells) che sono dispositivi capaci di convertire reversibilmente l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia elettrica, energia termica e prodotti di reazione. Vengono analizzati gli effetti di temperatura, pressione e umidità sulla cinetica, sulle prestazioni, sull’OCV, sulla conduttività della membrana e sul trasferimento di massa. In generale, per utilizzare una cella a combustibile PEM, ogni componente, materiale e l'assemblaggio delle celle dovrebbe essere realizzabile e ottimizzato per ottenere alte prestazioni. Vengono, quindi, trattate le tecniche di test e diagnosi che rappresentano il modo più popolare e affidabile per convalidare i progetti di questi componenti e della cella combustibile stessa. Inoltre, si affronta il discorso sull’idrogeno definito come vettore di energia che ha assunto un ruolo di primo piano per un mercato a basse emissioni; infatti ha un grande potenziale come combustibile alternativo e assume un ruolo centrale nello scenario energetico del futuro. Infine, si parla anche di applicazioni pratiche ed esistenti riguardanti le celle a combustibile in veicoli, come le proposte di Nuvera ed EH Group.

Vettore energetico idrogeno: specificità per un'adeguata sperimentazione

L'elaborato analizza, in maniera generica, come avviene la produzione, lo stoccaggio ed il trasporto dell'idrogeno e valuta i mezzi che sfruttano l'idrogeno come combustibile: i veicoli a fuel cell e i veicoli con motori a combustione interna alimentati a idrogeno (H2ICE). Poiché le proprietà dell'idrogeno sono molto diverse rispetto a quelle dei combustibili convenzionali, queste nuove tecnologie necessitano di celle di prova appositamente progettate e dimensionate. L'elaborato, pertanto, descrive nel dettaglio quali sono le normative, le strumentazioni e gli standard da rispettare per garantire che, all'interno della sala, i test possano essere eseguiti in totale sicurezza. Inoltre, vengono esaminati i sistemi di consegna e dosaggio dell'idrogeno, passando poi al sistema di ventilazione che gioca un ruolo fondamentale nel funzionamento dei test. Infine, sono riportati esempi di specifici set-up sperimentali volti allo studio delle problematiche riscontrate nei motori a combustione interna alimentati a idrogeno. Nel primo set-up, vengono descritti i sistemi di controllo, il tipo di motore e tutti i sensori utilizzati per analizzare l'impatto che ha l'EGR sui motori H2ICE; mentre, nel secondo, vengono esaminati i fattori che inducono la detonazione e la relativa frequenza.

Verifica di un rilevatore preliminare di collisioni tra oggetti orbitanti utilizzando Two Line Elements

Lo scopo principale di questo elaborato di tesi è stato lo sviluppo del rilevatore di collisioni descritto nell’articolo di Alfano "Sulla selezione dei parametri dei filtri per la congiunzione satellitare" in ambiente Matlab. Questo andrà a far parte di un simulatore complessivo, elaborato nella tesi di laurea di Boccolari Elisa. Nel simulatore presentato si vanno ad identificare possibili collisioni di satelliti utilizzando tre tipi di ricerche diverse. Uno di questi è proprio il rilevatore descritto, in particolare si tratta del ramo di ricerca “1 vs tutti”. Alfano et al. descrive un rilevatore costituito da tre filtri in cascata. Il loro scopo è quello di identificare rapidamente coppie di satelliti (da un catalogo di oggetti orbitanti nel formato TLE) che non sono abbastanza vicini in un periodo di tempo stabilito, da poter essere considerati un pericolo, e che non vengono considerate per ulteriori computazioni. Il presente documento parte descrivendo gli strumenti matematici ed i formati dei dati utilizzati nel lavoro, passando poi a descrivere lo sviluppo del codice stesso con i filtri, fino al test del rilevatore completo. Le conclusioni sintetizzano infine i risultati raggiunti.

Studio della reazione di hydrogen-transfer di metil levulinato con etanolo in fase vapore: effetto del palladio supportato su catalizzatori contenenti zirconio

La valorizzazione di biomasse lignocellulosiche rappresenta la strada che la chimica può percorrere per svincolarsi dalle fonti fossili e virare verso un futuro incentrato sulla sostenibilità ambientale. In quest’ottica, l’acido levulinico (AL) e i suoi esteri, detti alchil levulinati, ottenibili dalla valorizzazione di biomasse di scarto, rappresentano una classe di composti di grande interesse industriale. Infatti, dalla loro riduzione è possibile ottenere g-valerolattone (GVL), un’importante molecola piattaforma per l’industria chimica, o alchil valerati, composti interessanti per diverse branche dell’industria chimica e per la formulazione di bio-carburanti. Già da tempo è nota la possibilità di effettuare la riduzione di AL in fase liquida in presenza di alcoli come H-Donor secondo un meccanismo detto Catalytic Transfer Hydrogenation che può essere promosso da ossido di zirconio (ZrO2). Recentemente, è stato ottimizzato un processo che impiega i reagenti appena citati in un reattore continuo operante in fase gassosa con ZrO2 come catalizzatore. In questo lavoro, si è dopato tale sistema catalitico con palladio, al fine di promuovere le reazioni di riduzione consecutiva al GVL e si sono ottimizzati i parametri operativi come tempo di contatto, temperatura e rapporto tra substrato e H-Donor.

Studio di ossidi misti Ti/Zr/O per la valorizzazione catalitica di furfurale a GVL in un reattore continuo in fase liquida

Il cambiamento climatico è una delle sfide più ardue che il nostro pianeta abbia mai dovuto affrontare. Negli ultimi anni si sta rendendo sempre più evidente la necessità di un profondo cambiamento ideologico e sociale in ogni campo. La Green Chemistry mira a capeggiare questo cambiamento proponendo dei principi guida in modo da indirizzare la chimica verso tale traguardo. Possibili strumenti attuativi di questa visione sono senza alcun dubbio le bioraffinerie. Raffinerie appunto, nate però per processare materie prime provenienti da fonti rinnovabili, le biomasse. Esistono diversi tipi di biomasse, dalle quali possono essere ricavate differenti molecole piattaforma. La biomassa lignocellulosica, per esempio, viene sfruttata per ottenere perlopiù composti furanici. Tra questi di particolare interesse è la furfurale(FUR), un’aldeide particolarmente reattiva dalla quale possono essere ottenute numerose sostanze chimiche ad alto valore aggiunto. Tra queste si trova il γ-valerolattone(GVL), estere ciclico a cinque atomi di carbonio, promettente prodotto preliminare nella sintesi di combustibili a base biologica e prodotti chimici di base. Il processo che porta dalla FUR al GVL comprende diversi step di reazione, alcuni catalizzati da acidità di Lewis, altri da acidità di Brønsted. Gli step di riduzione possono essere eseguiti mediante una reazione di Catalytic Transfer Hydrogenation (CTH) utilizzando isopropanolo piuttosto che H2 gassoso. La scelta del solvente/riducente assieme all’utilizzo di un sistema catalitico eterogeneo permettono la realizzazione della reazione con un basso impatto ambientale. Per quanto riguarda la scelta del sistema catalitico, particolarmente interessante è la combinazione TiO2-ZrO2. Lo scopo di questa tesi è stato quello di sintetizzare e valutare le performance di sistemi catalitici a base di ossidi misti Ti/Zr/O con diverse composizioni nella conversione della FUR a GVL in un reattore in fase liquida.

Riconoscimento mediante dati satellitari Sentinel-2 dei suoli nudi nella regione Emilia-Romagna per una loro sostenibile valorizzazione

La ricerca oggetto del presente elaborato di tesi persegue fini di lotta ai cambiamenti climatici e promozione delle energie rinnovabili, in linea con i diciassette Obiettivi per lo Sviluppo Sostenibile definiti dall’Organizzazione delle Nazioni Unite nel 2015 a causa dell’incombente emergenza ambientale in atto; inoltre individua risorse che possono risultare utili in situazioni di crisi energetica come quella iniziata nel 2022. L’obiettivo dell’elaborato è l’individuazione dei bare soils o “suoli nudi”, ovvero terreni lasciati senza copertura nei mesi che intercorrono tra un raccolto e la semina successiva, presenti nella parte pianeggiante dell’Emilia Romagna nell’anno 2021. È stata eseguita una ricerca introduttiva sulle politiche agricole inerenti i cambiamenti climatici e sull’uso del suolo nell’area di studio. Nel procedimento seguente sono stati utilizzati immagini e dati satellitari a libero accesso, rilevati dai satelliti Sentinel-2 del programma Copernicus dell’Unione Europea. Per mezzo di software open source, sono state identificate le superfici di suolo nudo tramite calcolo degli indici di vegetazione Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) e selezione delle aree con valori dell’indice idonei per 4 mesi consecutivi; sono state create mappe tematiche con le posizioni dei terreni, sono state ricavate statistiche sulla loro estensione e sono state effettuate validazioni dei risultati. Secondo i calcoli, nei 2 periodi più promettenti i suoli nudi coprivano rispettivamente circa il 4% e il 25% dell’area di studio. I terreni individuati sono stati poi utilizzati come input per una simulazione di un loro utilizzo sostenibile. Infatti, quando abbastanza estesi e liberi per un tempo sufficiente, possono essere utilizzati per colture intercalari come il sorgo, volte ad ottenere biomasse adatte alla produzione di biocarburanti.

Fenomeni di emissione nelle nebulose planetarie

Tra le varie tipologie di corpi celesti che popolano il nostro cielo, sono da rimarcare le nebulose planetarie, esiti prodotti dalla fase finale nella vita di stelle di massa medio piccola, che si liberano dei loro strati più esterni, lasciando al centro una nana bianca (una stella di elevatissima densità, di piccole dimensioni e con bassa luminosità) e illuminando lo spazio circostante in spettacolari emissioni aventi forme e caratteristiche apparentemente molto differenti tra loro. Questo elaborato si propone di definire alcune proprietà che caratterizzano le nebulose planetarie, come la loro morfologia, e di analizzare il loro processo di formazione. Saranno anche esaminati i diversi processi di emissione che avvengono nella nebulosa e che ci permettono di studiarne le caratteristiche. Infine saranno presentati alcuni risultati di uno studio su NGC6781, la nebulosa planetaria nella costellazione dell’Aquila.

Analisi sperimentale di un accumulo con scambiatore alettato immerso in un materiale a cambiamento di fase

Per cercare di ridurre le emissioni inquinanti, soprattutto di CO2, si sta cercando di utilizzare sempre più fonti di energia rinnovabile. Queste non sono costanti, quindi, per ridurre il gap tra energia prodotta e richiesta, si utilizzano accumuli di energia termica, che immagazzinano l'energia quando è prodotta, per poi rilasciarla successivamente all'occorrenza. Gli accumuli termici si distinguono in sensibili, termochimici e latenti. Questa Tesi tratta l’analisi di un’innovativa tipologia di accumulo latente attraverso un materiale a cambiamento di fase (PCM) ed uno scambiatore di calore alettato. I materiali a cambiamento di fase sono in grado di immagazzinare e rilasciare energia sia con lo scambio sensibile, aumentando o diminuendo la propria temperatura, sia con lo scambio di calore latente, durante la propria transizione di fase da solido a liquido e viceversa. L’accumulo in questione è una tasca metallica con all’interno uno scambiatore di calore alettato immerso in un materiale a cambiamento di fase; il tutto è isolato dall’ambiente esterno e collegato con tubi ad un bagno termostatico caldo ed uno freddo. All'inizio l’accumulo è stato riempito con acqua, poi è stato inserito il PCM RT44HC, il cui range di temperatura di transizione di fase è 40-44°C. Nella fase di carica viene inviata acqua calda allo scambiatore per sciogliere il PCM. Nella fase di scarica, inviando acqua fredda si riprende l'energia accumulata e il PCM si solidifica. I set di prove sono stati eseguiti con temperature e portate in massa d'acqua diverse per la carica e per la scarica. I risultati mostrano che si recupera, in scarica, quasi tutta l’energia ceduta nella fase di carica e che la potenza scambiata ha un andamento decrescente nel tempo.

Studio della permeabilità di CO2 e N2 in membrane composite di Aquivion e PVAm

Per mitigare il notevole aumento di emissioni di gas serra, molti studi si stanno focalizzando sulle membrane a trasporto facilitato per la separazione e la cattura di CO2. In particolare, le tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS) hanno ridestato interesse basandosi principalmente sulla cattura dell’anidride carbonica. L’obiettivo di questo studio è stato di migliorare le prestazioni di selettività nell’Aquivion, membrana ionomerica dell’acido perfluorosolfonico. Gli ottimi valori di permeabilità che raggiunge hanno portato quindi a focalizzare le ricerche sul miglioramento della capacità selettiva tra CO2 e N2. Infatti, la permeabilità e la selettività sono considerati parametri di trade-off, all’aumento di uno corrisponde la diminuzione dell’altro. Inoltre, le buone prestazioni delle membrane a trasporto facilitato in presenza di gruppi amminici hanno portato al tentativo di associare ad un materiale come l’Aquivion, dalla buona conduttività protonica, la Polivinilammina. Le ammine in membrane a trasporto facilitato sono infatti in grado di legare selettivamente l’anidride carbonica. Il presente lavoro si è inizialmente focalizzato sulla purificazione della Polivinilammina e sull’accoppiamento delle due membrane. In seguito alla realizzazione, i film sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FTIR-ATR e infine testati in condizioni di umidità con l’utilizzo di un permeometro. È infatti ampiamente studiato come migliorare la permeabilità dell’Aquivion all’aumentare dell’umidità. In conclusione, in condizioni di alta adesione della Polivinilammina all’Aquivion la selettività ad alte umidità è aumentata rispetto ai valori di letteratura in articoli condizioni.