Sviluppo di tessuti nanofibrosi in Nylon 66 con migliorata capacità di contrasto alla delaminazione

Il presente elaborato finale presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di tessuti nanofibrosi in Nylon 66, ottenuti mediante elettrofilatura, da utilizzarsi per contrastare la delaminazione di compositi in fibra di carbonio (CFRP). Ottimizzati i parametri di processo, sono state preparate membrane di diverso spessore, poi integrate in laminati CFRP. Per consentire la reticolazione della resina e la corretta integrazione del rinforzo nanofibroso, è stato effettuato un processo di cura ottimizzato in autoclave. La tenacità a frattura interlaminare dei compositi nanomodificati risulta significativamente superiore al composito di riferimento.

Stima dell'impatto ambientale delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione

Nel nuovo secolo l’uomo sta cercando di affrontare le problematiche del cambiamento climatico, che purtroppo sta già provocando fenomeni di frequenza ed intensità mai visti. Fra i diversi metodi per provare a mitigare le emissioni di gas serra vi è quello di sfruttare il settore delle Informations and Communications Technologies (ICT). Complessivamente si stima che le ICT consumino l’8-10% di elettricità in Europa e che siano responsabili del 4% delle emissioni di carbonio del continente. Questo lavoro analizza la letteratura scientifica che si è occupata degli studi relativi ai consumi ed alle emissioni legate alle ICT. L’analisi dell’impatto ambientale viene svolta tramite il metodo Life Cycle Assessment (LCA). Nella prima parte di questa tesi si analizzano le impronte di carbonio di diversi prodotti o servizi degni di nota fino ad arrivare in generale a tutto il settore delle ICT. Nella seconda, si valutano gli impatti ambientali di sistemi implementati con le ICT comparati con altri considerati tradizionali. In questo studio, vengono analizzati i benefici e le criticità del metodo di valutazione LCA usato per studiare le ICT. Gli studi con questa tecnica sono basati sempre e solo su un modello matematico, per cui dipendono dalle ipotesi dello studio e sono associati ad una sostanziale incertezza che va considerata nell’analisi finale. Per questo motivo, applicando questo metodo al singolo prodotto, i risultati possono essere utili per fornire una base di dati per futuri studi, considerando, tuttavia, che non si può definire in maniera rigida l’impatto per ogni prodotto. Piuttosto, l’LCA è risultata più efficace per fare una comparazione tra scenari ICT e non ICT per valutare come si possa usare la tecnologia per mitigare l’impatto ambientale. Le ICT sono il presente ed il futuro della società ed è proprio per questo che è necessario monitorarle e svilupparle consapevolmente, perché per quanto l’impatto ambientale di esse possa sembrare basso, non è mai nullo.

Progetto DERNetSoft: design e sviluppo di un'app mobile per un futuro più sostenibile

Da anni ormai siamo inconsapevolmente "in guerra" con la natura. Sfruttiamo e sprechiamo risorse naturali senza alcuna considerazione per le conseguenze. Le città sono considerate le principali fonti dei problemi ambientali e la regolamentazione del consumo energetico urbano è fondamentale per affrontare il cambiamento climatico globale. DERNetSoft Inc, start-up californiana, ha intravisto il problema come un’opportunità per creare un proprio business il cui scopo è quello di contribuire a costruire un futuro a basse emissioni di carbonio, fornendo un servizio tecnologico scalabile e conveniente per consentire la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra a livello mondiale. Per farlo vengono utilizzati i concetti di DER Energy e Aggregation Energy. Nel volume di tesi si affrontano e descrivono la progettazione di un’applicazione mobile, multipiattaforma, sviluppata con il framework React Native. L’app sviluppata è supportata da un’architettura basata su dei micro servizi implementati tramite il cloud di Google. La principale funzionalità dell’applicazione sviluppata è quella di notificare gli utenti di un evento ELRP che, attraverso incentivi economici, promuove la riduzione del consumo energetico durante i periodi di forte stress o emergenza della rete elettrica.

Uso combinato della metodologia Life Cycle Assessment e del modello RothC per stimare le prestazioni ambientali della produzione di uva in due aziende a conduzione convenzionale

Lo studio ha applicato la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) con l’obiettivo di valutare i potenziali impatti ambientali derivanti dalla coltivazione dell’uva in due aziende a conduzione convenzionale del ravennate, denominate DZ e NG. Successivamente è stato applicato il modello RothC per simulare scenari sulla variazione del Soil Organic Carbon (SOC) e valutare in che misura le diverse pratiche agronomiche di gestione del suolo influenzino la variazione del SOC e la relativa emissione di CO2. Infine, i risultati dell’LCA sono stati integrati con quelli del modello RothC. Gli esiti dell’LCA indicano che, generalmente, sui diversi aspetti ambientali l’azienda DZ ha impatti superiori a quelli di NG soprattutto a causa di un maggiore utilizzo di fertilizzanti e pesticidi. Per quanto riguarda il contributo al riscaldamento globale (GWP), DZ mostra un impatto circa doppio di quello di NG. Il modello RothC ha individuato quali pratiche culturali aumentano il SOC mitigando le emissioni di CO2eq., in particolare: l’inerbimento perenne, la scelta di forme di allevamento con elevata produzione di residui culturali e l’utilizzo di ammendanti. L’integrazione dei valori dei due strumenti ha permesso di ottenere un bilancio globale di CO2eq. in cui le emissioni totali rispetto al GWP aumentano in DZ e diminuiscono in NG, portando a un impatto di DZ circa tre volte superiore rispetto a quello di NG. Fertilizzazione, potatura e lavorazione del suolo sono pratiche considerate nel calcolo del GWP in termini di consumo ed emissione dei processi produttivi, ma non come input di carbonio fornibili al suolo, determinando sovra o sottostima delle effettive emissioni di CO2eq. Questo studio dimostra l’utilità di incentivare la diffusione dell’applicazione integrata dei due strumenti nel settore viticolo, determinante per la comprensione e quantificazione delle emissioni di CO2 associate alla fase di coltivazione, sulla quale quindi indirizzare ottimizzazioni e approfondimenti.

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Valutazione degli impatti ambientali relativi alla valorizzazione delle sanse di oliva in una prospettiva di ciclo di vita

Nel presente elaborato di tesi la metodologia Life Cycle Assessment (che in accordo con le norme ISO 14040-44 permette di quantificare i potenziali impatti sull’ambiente associati ad un bene o servizio lungo tutto il suo ciclo di vita) è applicata a processi appartenenti al settore agro-industriale, con particolare riguardo alla valorizzazione dei coprodotti della filiera olivicola olearia. Nello specifico vengono descritti i risultati di un’analisi del ciclo di vita condotta sul processo di valorizzazione delle sanse di oliva operata dalla Società Agricola A.R.T.E, che ha sede in Puglia. In questo processo, la sansa di olive è trattata mediante digestione anaerobica che permette la produzione di energia elettrica e di un digestato, stabilizzato e utilizzato come ammendante. Il processo analizzato si pone in alternativa sia al metodo di produzione che dà origine a sanse trifasiche, sia allo spandimento delle sanse su suolo agricolo, confrontati in termini di impronta di carbonio. Inoltre nello studio sono state confrontate diverse tecnologie di upgrading di biogas a biometano per valutare quale risulta essere ambientalmente preferibile e potenzialmente installabile nell’azienda A.R.T.E. Il sistema analizzato risulta un'alternativa complessivamente preferibile, da un punto di vista ambientale, sia al metodo di produzione che dà origine a sanse trifasiche, sia allo spandimento delle sanse su suolo agricolo. Il credito ambientale conseguibile mediante il recupero energetico dal biogas prodotto dalla digestione anaerobica delle sanse bifasiche e la produzione di un digestato stabile permettono un beneficio ambientale che controbilancia l’emissione di CO2 attribuibile all’intero sistema. Inoltre lo studio ha permesso una stima di quale tecnologia di raffinazione del biogas a biometano sia potenzialmente installabile nell’azienda A.R.T.E. I risultati mostrano che la tecnologia separazione a membrana risulta meno impattante rispetto alle altre tecnologie di upgrading.

Nucleosintesi stellare e produzione di elementi chimici nelle stelle

Le stelle sono i corpi celesti fondamentali per comprendere l'evoluzione del nostro Universo. Infatti, attraverso processi di fusione nucleare che avvengono al loro interno, nel corso della loro vita le stelle producono la maggior parte dei metalli che popolano la tavola periodica, non presenti all'inizio della vita dell'Universo e la cui presenza è attribuile soltanto alla nucleosintesi stellare. In questa tesi viene trattato questo aspetto, ovvero la produzione di elementi chimici nelle stelle, seguendo in ordine cronologico le principali fasi della vita delle stelle stesse. Nel primo capitolo sono fornite delle informazioni generali sulle reazioni termonucleari, che sono alla base della vita delle stelle e della produzione di molti elementi chimici. Successivamente, vengono approfondite le catene di reazioni termonucleari che consentono la fusione dell'idrogeno in elio all'interno delle stelle, ovvero la catena protone-protone e il ciclo CNO. Nei capitoli seguenti sono state analizzate le reazioni termonucleari di fusione dell'elio in carbonio, note come processo 3-alfa, e di elementi più pesanti, quali carbonio, neon, ossigeno e silicio, che avvengono quando la stella è ormai una gigante o supergigante rossa. Infine, nell'ultimo capitolo viene descritto come, nelle fasi finali della loro vita, le stelle riescano a produrre elementi più pesanti attraverso processi di cattura neutronica, per poi rilasciarli attraverso le esplosioni di supernove, arricchendo significativamente il mezzo interstellare.

Theoretical models and ab initio calculations of phonons

Questa tesi intende approfondire da un punto di vista, sia teorico sia computazionale, le proprietà fondamentali dei fononi. A tal fine, sono presentati i modelli quantistici di Einstein e di Debye che permettono la derivazione analitica degli osservabili macroscopici principali di un solido, come l’energia media e la capacità termica. Ciò è possibile tramite una trattazione meccano-statistica basata sull’approssimazione armonica dei modi normali di vibrazione degli ioni reticolari. Quindi, all’inizio si mostrano brevemente i risultati principali riguardanti l’oscillatore armonico quantistico. Successivamente, si approfondiscono i temi della dispersione fononica e della densità degli stati vibrazionali per reticoli cristallini 1D e 3D. Si ottiene che la prima non può essere considerata lineare se non nel limite di alte lunghezze d’onda, e che la seconda può presentare punti di singolarità correlati alla forma della relazione di dispersione. Infine, sono state svolte alcune analisi computazionali ab initio relative alla dispersione fononica, la densità degli stati vibrazionali e la frequenza di Debye del Carbonio (diamante) tramite i programmi VASP e Phonopy, confrontando i risultati con dati sperimentali presenti in letteratura.

Regolazione del ciclo di accensione spegnimento delle soffianti in vasca di areazione ed efficienza di rimozione dell’azoto: sperimentazioni presso il depuratore di Corpo Reno (FE)

Presso il depuratore di Corporeno, Comune di Cento (FE), si sono verificati dei superamenti dei limiti di legge per l’Azoto totale, Nitrico e Ammoniacale nei campioni di reflui in uscita. La società di gestione del depuratore ha iniziato a regolare il tenore di ossigeno in vasca di ossinitrificazione mediante il monitoraggio del potenziale Redox. Dall’analisi dei dati di monitoraggio e dai risultati delle analisi chimiche sui reflui in ingresso e uscita dall’impianto, si è evidenziato che tale operazione ha consentito di migliorare le prestazioni dell’impianto, tuttavia la modalità di gestione delle soffianti in vasca di ossinitrificaizione non consente un pieno controllo delle concentrazioni in uscita. Lo studio di alcune pubblicazioni (in particolare Charpentier et al. 1998 e Hao e Huang, 1996) ha consentito di individuare una metodologia di controllo dei processi in vasca che si basa sia sul potenziale di ossidoriduzione che sul pH, oltre alla concentrazione di ossigeno. L’analisi di alcuni dati di monitoraggio in continuo ha evidenziato una crisi del processo di denitrificazione. Si sono individuate tre differenti strategie di mitigazione della problematica: uno studio e sperimentazione sia in laboratorio che in vera grandezza per definire un sistema di monitoraggio real time dell’accensione delle soffianti basato sulla curva di Hao e Huang (1996), una modifica all’impianto che preveda il corretto ricircolo dalla miscela areata alle vasche di predenitrificazione, che allo stato attuale non stanno funzionando a regime ed infine una valutazione rispetto alla necessità di integrazione con fonte di carbonio esterna, in quanto i valori di BOD in ingresso potrebbero essere limitanti per la denitrificazione.

Analisi e standardizzazione del ciclo commessa dei materiali in conto lavoro: il caso HP Composites S.p.A.

HP Composites, azienda leader nella produzione di componenti in fibra di carbonio, a seguito della crescita di ordini commissionati dai suoi clienti, ha deciso di affidare a dei fornitori la produzione di alcune commesse, in alcune o in tutte le fasi del loro ciclo. L’elaborato di tesi nasce da un’esperienza di tirocinio nell’ufficio pianificazione di HP Composites, e si pone l’obiettivo di analizzare tutte le attività che, evitando di dedicare risorse alle lavorazioni selezionate, deve compiere per supportare il fornitore; l’analisi è stata effettuata tramite la costruzione di un diagramma di flusso e fornendo un indicazione del tempo richiesto da ogni attività, per poi poi avanzare delle proposte di ottimizzazione. Il ciclo commessa può essere suddiviso in quattro fasi: scelta della commessa e selezione del fornitore, attivazione del fornitore, gestione settimanale dell’evasione degli ordini e gestione del fine commessa. L’ufficio acquisti nel tempo si è specializzato individuando i temi da chiarire prima di attivare la fornitura per evitare l’insorgere di problematiche a produzione già attivata. Per quanto riguarda la gestione settimanale del fornitore, è stato istituito il ruolo del responsabile delle esternalizzazioni, una figura che funga da intermediario con il fornitore e monitori la produzione esterna: questa figura apporta un'alta quantità di interazioni, ma HP valuta maggiori i vantaggi di questa gestione centralizzata. Inoltre nel tempo le attività pianificazione sono state ottimizzate grazie alla stesura di file precompilati da aggiornare. Un’attività fonte di inefficienza è quella dell’emissione dei documenti di trasporto, soprattutto nel caso in cui il compito di consegnare il prodotto al cliente è deputato al fornitore di conto lavoro: HP Composites ha intenzione di implementare un lettore barcode per l’emissione del documento che ridurrebbe i tempi richiesti dall’attività e permetterebbe una gestione del conto lavoro a sistema più corretta.

Caratterizzazione a flessione di materiali compositi per impiego automotive

L’introduzione dei materiali compositi all’interno dell’ambiente industriale ha modificato l’idea di progettazione delle strutture, permettendo il raggiungimento di eccellenti prestazioni difficilmente ottenibili con materiali classici. Grazie all’uso dei compositi si sono ottenute elevata resistenza e leggerezza, caratteristiche di grande interesse nell’industria aerospaziale, delle costruzioni civili e soprattutto del settore automobilistico. Il materiale composito viene considerato oggigiorno un materiale innovativo del quale non si conoscono in modo esaustivo tutte le caratteristiche. Da questa premessa è nata la campagna sperimentale di questa tesi, il cui scopo è la definizione della sequenza di laminazione per la realizzazione della molla posteriore per la sospensione del prototipo da competizione Emilia5, del team Onda Solare. Si è ricercata la configurazione che conferisse una rigidità flessionale maggiore rispetto a quelle campionate. Si è proceduto, quindi, allo studio delle possibili sequenze di laminazione con cui realizzare la molla e sono stati creati i provini utilizzando CFRP unidirezionale, materiale caratterizzato da un’elevata resistenza lungo l’asse longitudinale. I 5 provini realizzati si differenziano principalmente per le metodologie di sovrapposizione delle lamine contigue e per i materiali utilizzati. Sui provini realizzati è stata eseguita una caratterizzazione mediante prova di flessione in tre punti, dalla quale sono stati ricavati i dati necessari alla successiva analisi delle proprietà. Infine, con i risultati ottenuti si è proceduto alla determinazione della sequenza di laminazione ottimale per la realizzazione del prototipo.

Analisi strutturale del cerchione in materiale composito del veicolo solare Emilia 5

La finalità della tesi è quella di poter progettare il cerchione del veicolo solare "Emilia 5" in materiale composito. Questa auto è l’evoluzione della "Emilia 4", sviluppata dalla squadra Onda Solare in collaborazione con l’Università di Bologna, con cui sono state vinte molte gare. Tramite software (Ansys) è stato realizzato il modello virtuale del cerchione in fibra di carbonio e, con l'ausilio dell'analisi agli elementi finiti, ne è stata verificata la stabilità, sottoponendolo a cinque condizioni di carico diverse. Lo studio approfondisce le tematiche riguardanti i materiali compositi, il concetto di sequenza di laminazione e come varia la distribuzione delle tensioni al variare di esse. In particolare, viene analizzato con attenzione lo studio tramite software della sequenza di laminazione che permette di ottenere i risultati migliori per il tipo di applicazione. Infine, vengono confrontati i dati ottenuti dalle simulazioni effettuate, per l'analisi e lo studio dei dati significativi.

Progettazione e modellazione numerica di un elemento strutturale per il telaio dell’auto solare Emilia 5

Nel seguente elaborato viene ripercorso il lavoro svolto per la progettazione di un box batterie in materiale composito e in particolare il relativo sistema di fissaggio al telaio che verrà utilizzato per l’auto solare Emilia 5. Questo prototipo di veicolo, che viene sviluppato dai membri del team Onda Solare presso l’azienda Metal TIG a Castel San Pietro Terme (BO), è un’auto completamente elettrica che sfrutta l’energia solare attraverso pannelli fotovoltaici e la cui propulsione è garantita dalla sola energia accumulata nelle batterie. Emilia 5 gareggerà all’evento World Solar Challenge 2023 in Australia, competizione riservata alle auto solari che vede impegnati teams da tutto il mondo. L’elaborato mostra inizialmente la modellazione geometrica tridimensionale delle parti sviluppata attraverso il software Solidworks, analizzandone i dettagli funzionali. In seguito, tramite il software Ansys Workbench, vengono eseguite simulazioni agli elementi finiti verificando che i componenti, considerati in alluminio, rispondano correttamente ai carichi imposti. Per ultimo, vengono menzionati i materiali compositi in fibra di carbonio e si analizza la sequenza di laminazione relativa alla scatola delle batterie. I risultati ottenuti saranno utilizzati dal team Onda Solare come punto di riferimento per la realizzazione dei componenti di Emilia 5.

Analisi di un metodo per la discriminazione delle particelle neutre nell'ambito dell'esperimento FOOT

L'adroterapia è una delle tecniche utilizzate ad oggi per trattare i tumori ed è basata sull'utilizzo di fasci di particelle cariche, come protoni e ioni carbonio, accelerati sulla zona da trattare. A differenza dei fotoni, utilizzati in radioterapia, le particelle cariche permettono un rilascio di energia più mirato, danneggiando il DNA delle cellule tumorali fino ad impedirne la duplicazione, senza intaccare i tessuti sani circostanti. Per sfruttare al meglio questa tecnica è necessario conoscere a fondo i processi di frammentazione nucleare che possono avere luogo durante il trattamento, sui quali si hanno ancora insufficienti dati sperimentali, in particolare a proposito della frammentazione del bersaglio. L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) nasce proprio per poter misurare le sezioni d'urto differenziali dei processi di frammentazione nucleare alle tipiche energie dell'adroterapia, dai 60 MeV/u ai 400 MeV/u. Allo stato attuale l'esperimento è dotato di un apparato per la rivelazione di frammenti carichi pesanti e uno per quelli leggeri, mentre non ha un sistema di rivelazione per le particelle neutre. Si sta quindi valutando la possibilità di aggiungere rivelatori di neutroni, per esempio gli scintillatori liquidi BC-501A, i quali permettono di discriminare fotoni da neutroni grazie alla diversa forma del segnale prodotto (Pulse Shape Discrimination). Per studiare le prestazioni di questi rivelatori, essi si stanno attualmente testando alla facility n_TOF del CERN con diverse sorgenti di particelle. In questo lavoro di tesi mi sono occupata di analizzare i segnali raccolti da due BC-501A con una sorgente AmBe di raggi γ e neutroni, con schermo in piombo, e con una sorgente 88Y di soli raggi γ, evidenziando le buone capacità di questi rivelatori di identificare correttamente neutroni e fotoni.