An integrated system for building and running reproducible research

Our generation of computational scientists is living in an exciting time: not only do we get to pioneer important algorithms and computations, we also get to set standards on how computational research should be conducted and published. From Euclid’s reasoning and Galileo’s experiments, it took hundreds of years for the theoretical and experimental branches of science to develop standards for publication and peer review. Computational science, rightly regarded as the third branch, can walk the same road much faster. The success and credibility of science are anchored in the willingness of scientists to expose their ideas and results to independent testing and replication by other scientists. This requires the complete and open exchange of data, procedures and materials. The idea of a “replication by other scientists” in reference to computations is more commonly known as “reproducible research”. In this context the journal “EAI Endorsed Transactions on Performance & Modeling, Simulation, Experimentation and Complex Systems” had the exciting and original idea to make the scientist able to submit simultaneously the article and the computation materials (software, data, etc..) which has been used to produce the contents of the article. The goal of this procedure is to allow the scientific community to verify the content of the paper, reproducing it in the platform independently from the OS chosen, confirm or invalidate it and especially allow its reuse to reproduce new results. This procedure is therefore not helpful if there is no minimum methodological support. In fact, the raw data sets and the software are difficult to exploit without the logic that guided their use or their production. This led us to think that in addition to the data sets and the software, an additional element must be provided: the workflow that relies all of them.

ALMASat-1, ALMASat-EO and beyond: evolution of structural concepts and technologies towards multifunctional structures for microsatellites

Multifunctional Structures (MFS) represent one of the most promising disruptive technologies in the space industry. The possibility to merge spacecraft primary and secondary structures as well as attitude control, power management and onboard computing functions is expected to allow for mass, volume and integration effort savings. Additionally, this will bring the modular construction of spacecraft to a whole new level, by making the development and integration of spacecraft modules, or building blocks, leaner, reducing lead times from commissioning to launch from the current 3-6 years down to the order of 10 months, as foreseen by the latest Operationally Responsive Space (ORS) initiatives. Several basic functionalities have been integrated and tested in specimens of various natures over the last two decades. However, a more integrated, system-level approach was yet to be developed. The activity reported in this thesis was focused on the system-level approach to multifunctional structures for spacecraft, namely in the context of nano- and micro-satellites. This thesis documents the work undertaken in the context of the MFS program promoted by the European Space Agency under the Technology Readiness Program (TRP): a feasibility study, including specimens manufacturing and testing. The work sequence covered a state of the art review, with particular attention to traditional modular architectures implemented in ALMASat-1 and ALMASat-EO satellites, and requirements definition, followed by the development of a modular multi-purpose nano-spacecraft concept, and finally by the design, integration and testing of integrated MFS specimens. The approach for the integration of several critical functionalities into nano-spacecraft modules was validated and the overall performance of the system was verified through relevant functional and environmental testing at University of Bologna and University of Southampton laboratories.

Design and implementation of a synchronous interleaved boost converter for fuel cell-powered catamaran

The present work describes the different stages of design, implementation, and validation procedures for an interleaved DC-DC boost converter intended for the 2022 Futura, a fuel cell-powered racing catamaran developed by the UniBoAT team. The main goal of the entire design has been the significant reduction of the weight of the converter by removing heat sinks and reducing component size while increasing its efficiency by adopting high-end power switches and the interleaved architecture operated with a synchronous control strategy. The obtained converter has been integrated into the structure containing the fuel cell stack obtaining a fully integrated system. The realized device has been based on an interleaved architecture with six phases controlled digitally through the average current mode control. The design has been validated through simulations carried out using the software LT-Spice, whereas experimental validations have been performed by means of laboratory bench tests and on-field tests. Detailed thermal and efficiency analyses are provided with the bench tests under the two synchronous and non-synchronous operating modes and with the adoption of the phase shedding technique. The prototype implementation and its performance in real operating conditions are also discussed. Eventually, it is underlined as the designed converter can be used in other applications requiring a voltage-controlled boost converter.

Challenges for an Integrated Water Resource Management in the Merguellil basin (Tunisia)

La risorsa acqua in zone semi-aride è sottoposta a un'estrema variabilità climatica nello spazio e nel tempo. La gestione della risorsa acqua è quindi soggetta a un insieme di sfide quando i vincoli naturali vengono uniti agli effetti indotti da attività umana come per esempio l'aumento dello sfruttamento dell'acqua di sottosuolo, cambiamento dell'uso del suolo e presenza di infrastruttura mista. Si spera che il cambiamento climatico e l'attività risultanti dallo sviluppo economico, a corto termine aumentino la pressione su un sistema ormai sensibile. Se pianificato e gestito correttamente, lo stoccaggio dell'acqua, nelle sue varie forme, funge come un meccanismo di controllo della variabilità climatica e può potenziare la capacità adattiva. Lo uadi Merguellil è un corso d'acqua a carattere non perenne al centro della Tunisia, più specificamente a est della città di Kairouan. Il Merguellil drena la pioggia sulla dorsale Tunisina insieme al uadi Zeroud e Nebhana, ed è tra i principali fiumi che scorre sulla piana di Kairouan. Lo stoccaggio dell'acqua nel bacino assume diverse forme come i laghi collinari, i terrazzi, acqua di sottosuolo e una diga. Alcune delle opzioni per lo stoccaggio dell'acqua sono state costruite per preservare la risorsa acqua, mantenere la popolazione rurale e mantenere l'equità tra le zone a monte ed a valle ma solitamente non è mai stata fatta un'analisi comprensiva dei "trade-offs" coinvolti in tali sviluppi. Anche se la ricerca è sviluppata in questa zona, finora nessuna analisi ha cercato di combinare le dinamiche del sistema idrologico con scenari gestionali. L'analisi di scenari gestionali consente ai decisori di valutare delle alternative di pianificazione e può incrementare positivamente la loro abilità di creare delle politiche che si basino sulle necessità fisiche ma anche sociali di un particolare sistema. Questo lavoro è un primo passo verso un Sistema di Gestione Integrata della Risorsa Idrica (inglese: IWMR) capace di mettere in prospettiva strategie future su diverse scale. L'uso di uno strumento metodologico illustra le sfide associate nell'affrontare questo compito. In questo caso, un modello WEAP (Water Evaluation and Planning System) è stato sviluppato in collaborazione con partners Tunisini in modo da integrare le conoscenze su processi fisici e valutare diverse tendenze come l'aumento dell'irrigazione o il cambio di alcuni aspetti climatici. Lo strumento ora è disponibile ai ricercatori locali dove potrà essere sviluppato ulteriormente a fine di indirizzare domande più specifiche. Questo lavoro focalizza lo stoccaggio dell'acqua per poter evidenziare le interazioni dinamiche tra le diverse opzioni di stoccaggio nella zona di studio e valutare i "trade-offs" tra di esse. I risultati iniziali dimostrati in questo lavoro sono: - Se lo sfruttamento degli acquiferi fosse ristretto ai livelli delle loro ricarica, la domanda d'acqua dei diversi utilizzatori non sarebbe soddisfatta al 25% dei livelli di consumo attuale. - La tendenza di incremento dell'agricoltura di irrigazione crea un impatto più accentuato nelle risorse di sottosuolo di quello creato da un'ipotetica riduzione della piovosità all'85% - L'aumento del numero di laghi collinari riduce la quantità d'acqua che arriva a valle, allo stesso tempo aumenta la quantità d'acqua "persa" per evaporazione.