Analisi della stabilità dei risultati dei test di risposta termica: prove in campo, confronto e analisi critica per diversi metodi di esecuzione e modellizzazione

Il Test di Risposta Termica (Thermal Response Test-TRT) (Mogenson,1983) è il test esistente con il più alto grado di accuratezza per la caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale. Il test consiste in una simulazione in situ del funzionamento di un sistema a circuito chiuso di sfruttamento dell’energia geotermica, per un periodo limitato di tempo, attraverso l’iniezione o estrazione di calore a potenza costante all’interno del geo-scambiatore (Borehole Heat Exchanger-BHE). Dall’analisi della variazione delle temperature del fluido circolante, è possibile avere una stima delle proprietà termiche medie del volume del reservoir geotermico interessato dal test. Le grandezze principali per la caratterizzazione di un serbatoio geotermico sono la conduttività termica (λ), la capacità termica volumetrica (c), la temperatura indisturbata del suolo (Tg) e la resistenza termica del pozzo (Rb); la loro determinazione è necessaria per il corretto progettazione degli geo-scambiatori. I risultati del TRT sono tuttavia sensibili alle condizioni al contorno spazio-temporali quali ad es.: variazione della temperatura del terreno, movimento d’acqua di falda, condizioni metereologiche, eventi stagionali, ecc. Questo lavoro vuole: i) introdurre uno studio sui problemi di caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale, in particolare analizzando l’effetto che il movimento d’acqua di falda ha sui parametri termici; ii) analizzare la sensitività dei risultati del test alle variabilità dei parametri caratteristici del funzionamento delle attrezzature. Parte del lavoro della mia tesi è stata svolta in azienda per un periodo di 4 mesi presso la “Groenholland Geo Energy systems” che ha sede ad Amsterdam in Olanda. Tre diversi esperimenti sono stati realizzati sullo stesso sito (stratigrafia nota del terreno: argilla, sabbia fine e sabbia grossa) usando una sonda profonda 30 metri e diversi pozzi per l’estrazione d’acqua e per monitorare gli effetti in prossimità del geo scambiatore. I risultati degli esperimenti sono stati molto diversi tra di loro, non solo in termini di dati registrati (temperature del fluido termovettore), ma in termini dei valori dei parametri ottenuti elaborando i dati. In particolare non è sufficiente adottare il modello classico della sorgente lineare infinita (Infinite Line Source Solution- ILS) (Ingersoll and Plass, 1948), il quale descrive il trasferimento di calore per conduzione in un mezzo omogeneo indefinito a temperatura costante. Infatti, lo scambio di calore avviene anche tramite convezione causata dal movimento d’acqua di falda, non identificabile mediante gli approcci classici tipo CUSUM test (Cumulative Sum test) (Brown e altri,1975) Lo studio della tesi vuole dare un quadro di riferimento per correlare la variabilità dei risultati con la variabilità delle condizioni al contorno. L’analisi integra le metodologie classiche (ILS) con un approccio geostatistico utile a comprendere i fenomeni e fluttuazioni che caratterizzano il test. Lo studio delle principali variabili e parametri del test, quali temperatura in ingresso e uscita del fluido termovettore, portata del fluido e potenza iniettata o estratta, è stato sviluppato mediante: il variogramma temporale, ovvero la semivarianza dell’accrescimento, che esprime il tipo di autocorrelazione temporale della variabile in esame; la covarianza incrociata temporale, ovvero la covarianza fra due variabili del sistema, che ne definisce quantitativamente il grado di correlazione in funzionamento del loro sfasamento temporale. L’approccio geostatistico proposto considera la temperatura del fluido Tf come una funzione aleatoria (FA) non stazionaria nel tempo (Chiles, 1999), il cui trend è formalmente definito, ma deve essere identificato numericamente. Si considera quindi un classico modello a residuo; in cui la FA è modellizzata come la somma di un termine deterministico, la media (il valore atteso) m(t),coincidente col modello descritto dalla teoria della sorgente lineare infinità, e di un termine aleatorio, la fluttuazione, Y(t). Le variabili portata e potenza sono invece considerate delle funzioni aleatorie stazionarie nel tempo, ovvero a media costante. Da questo studio di Tesi si sono raggiunte delle conclusioni molto importanti per lo studio del TRT: Confronto tra gli esperimenti in estrazione di calore, con e senza movimento d’acqua di falda: si studia l’effetto indotto dalla falda sul TRT. E’ possibile caratterizzare quantitativamente l’incremento della conducibilità termica equivalente legata a fenomeni convettivi dovuti al movimento d’acqua di falda. Inoltre, i variogrammi sperimentali evidenziano periodicità simili nei due casi e legate al funzionamento della pompa di calore e della componentistica associata ed alla circolazione del fluido termovettore all’interno della sonda. Tuttavia, la componente advettiva ha un effetto di smorzamento sulle piccole periodicità dei variogrammi, ma di aumento dell’ampiezza delle periodicità maggiori a causa del funzionamento della pompa di calore che deve fornire maggiore energia al sistema per bilanciare le dispersioni dovute al movimento d’acqua di falda. Confronto fra estrazione ed iniezione di calore, con movimento d’acqua di falda: si studia la significatività dei risultati nei due casi. L’analisi delle variografie evidenzia significative differenze nella struttura dei variogrammi sperimentali. In particolare, nel test con iniezione di calore i variogrammi sperimentali delle temperature hanno valori sistematicamente inferiori, circostanza che assicura una migliore precisione nella stima dei parametri termici. Quindi eseguire il TRT in iniezione di calore risulta più preciso. Dall’analisi dei variogrammi sperimentali delle singole variabili quali temperatura del fluido in ingresso e uscita all’interno del geoscambiatore è stato confermato il fenomeno di smorzamento delle oscillazioni da parte del terreno. Dall’analisi delle singole variabili del test (temperature, potenza, portata) è stata confermata l’indipendenza temporale fra portate e temperature. Ciò è evidenziato dalle diverse strutture dei variogrammi diretti e dalle covarianze incrociate prossime a zero. Mediante correlogrami è stato dimostrato la possibilità di calcolare il tempo impiegato dal fluido termovettore per circolare all’interno della sonda. L’analisi geostatistica ha permesso quindi di studiare in dettaglio la sensitività dei risultati del TRT alle diverse condizioni al contorno, quelle legate al reservoir e quelle legate al funzionamento delle attrezzature

Effetti di intaglio in accoppiamenti albero-mozzo per interferenza

L’obiettivo dello studio è quello di determinare le cause della rottura a fatica in un accoppiamento albero–mozzo. Nella prima parte si cerca di costruire un modello FEM (attraverso Ansys Workbench 12.0) che simuli il comportamento del provino albero-mozzo sottoposto a una flessione alterna, come nella macchina di Moore. Con esso si cercherà di individuare le variabili del problema e quali potranno influenzare la σy_max e il Kt. Nella seconda parte si cercherà di stabilire se il fretting sia funzione dalle stesse variabili del Kt, se esiste una transizione tra i due fenomeni e la quantità di usura prodotta dal fretting. Infine si realizzeranno delle prove sperimentali per verificare le ipotesi dedotte dall'analisi FEM.

Progetto ed implementazione di protocolli a basso consumo energetico per reti wireless

"I computer del nuovo millennio saranno sempre più invisibili, o meglio embedded, incorporati agli oggetti, ai mobili, anche al nostro corpo. L'intelligenza elettronica sviluppata su silicio diventerà sempre più diffusa e ubiqua. Sarà come un'orchestra di oggetti interattivi, non invasivi e dalla presenza discreta, ovunque". [Mark Weiser, 1991] La visione dell'ubiquitous computing, prevista da Weiser, è ormai molto vicina alla realtà e anticipa una rivoluzione tecnologica nella quale l'elaborazione di dati ha assunto un ruolo sempre più dominante nella nostra vita quotidiana. La rivoluzione porta non solo a vedere l'elaborazione di dati come un'operazione che si può compiere attraverso un computer desktop, legato quindi ad una postazione fissa, ma soprattutto a considerare l'uso della tecnologia come qualcosa di necessario in ogni occasione, in ogni luogo e la diffusione della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito notevolmente alla realizzazione di questo scenario. La possibilità di avere a disposizione nei luoghi più impensabili sistemi elettronici di piccole dimensioni e autoalimentati ha contribuito allo sviluppo di nuove applicazioni, tra le quali troviamo le WSN (Wireless Sensor Network), ovvero reti formate da dispositivi in grado di monitorare qualsiasi grandezza naturale misurabile e inviare i dati verso sistemi in grado di elaborare e immagazzinare le informazioni raccolte. La novità introdotta dalle reti WSN è rappresentata dalla possibilità di effettuare monitoraggi con continuità delle più diverse grandezze fisiche, il che ha consentito a questa nuova tecnologia l'accesso ad un mercato che prevede una vastità di scenari indefinita. Osservazioni estese sia nello spazio che nel tempo possono essere inoltre utili per poter ricavare informazioni sull'andamento di fenomeni naturali che, se monitorati saltuariamente, non fornirebbero alcuna informazione interessante. Tra i casi d'interesse più rilevanti si possono evidenziare: - segnalazione di emergenze (terremoti, inondazioni) - monitoraggio di parametri difficilmente accessibili all'uomo (frane, ghiacciai) - smart cities (analisi e controllo di illuminazione pubblica, traffico, inquinamento, contatori gas e luce) - monitoraggio di parametri utili al miglioramento di attività produttive (agricoltura intelligente, monitoraggio consumi) - sorveglianza (controllo accessi ad aree riservate, rilevamento della presenza dell'uomo) Il vantaggio rappresentato da un basso consumo energetico, e di conseguenza un tempo di vita della rete elevato, ha come controparte il non elevato range di copertura wireless, valutato nell'ordine delle decine di metri secondo lo standard IEEE 802.15.4. Il monitoraggio di un'area di grandi dimensioni richiede quindi la disposizione di nodi intermedi aventi le funzioni di un router, il cui compito sarà quello di inoltrare i dati ricevuti verso il coordinatore della rete. Il tempo di vita dei nodi intermedi è di notevole importanza perché, in caso di spegnimento, parte delle informazioni raccolte non raggiungerebbero il coordinatore e quindi non verrebbero immagazzinate e analizzate dall'uomo o dai sistemi di controllo. Lo scopo di questa trattazione è la creazione di un protocollo di comunicazione che preveda meccanismi di routing orientati alla ricerca del massimo tempo di vita della rete. Nel capitolo 1 vengono introdotte le WSN descrivendo caratteristiche generali, applicazioni, struttura della rete e architettura hardware richiesta. Nel capitolo 2 viene illustrato l'ambiente di sviluppo del progetto, analizzando le piattaforme hardware, firmware e software sulle quali ci appoggeremo per realizzare il progetto. Verranno descritti anche alcuni strumenti utili per effettuare la programmazione e il debug della rete. Nel capitolo 3 si descrivono i requisiti di progetto e si realizza una mappatura dell'architettura finale. Nel capitolo 4 si sviluppa il protocollo di routing, analizzando i consumi e motivando le scelte progettuali. Nel capitolo 5 vengono presentate le interfacce grafiche utilizzate utili per l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 vengono esposti i risultati sperimentali dell'implementazione fissando come obiettivo il massimo lifetime della rete.

Modellazione di processo in impianti di depurazione urbana finalizzata allo sviluppo di linee guida progettuali. Simulazioni e confronti su dati HERA full - scale.

Gli impianti di depurazione rappresentano, nei contesti urbani, elementi di imprescindibile importanza nell’ambito di una corretta gestione e tutela della risorsa idrica e dell’ambiente. Il crescente grado di antropizzazione delle aree urbanizzate e parallelamente le sempre minori disponibilità in termini di spazi utilizzabili a fini depurativi comportano sempre di più la necessità di ottimizzare i processi di dimensionamento degli impianti. Inoltre, l’obiettivo di aumentare l’efficienza del ciclo depurativo andando a minimizzare i costi correlati alla gestione degli stessi indirizza verso una omogeneizzazione nei criteri di dimensionamento adottati. In questo senso, la normativa tecnica di settore risulta carente, andandosi a concentrare prevalentemente sul rispetto di fissati standard ambientali senza però fornire indicazioni precise sui criteri di progettazione da adottare per perseguire tali standard. La letteratura scientifica pur indicando range di possibili valori di riferimento da adottare, nel dimensionamento degli impianti, lascia un ampio margine di discrezionalità al progettista. La presente tesi si pone pertanto, a partire da tali valori di letteratura, di andare a definire da un lato le caratteristiche quali-quantitative del refluo in ingresso e dall’altro i valori di riferimento da adottare in sede di progettazione per perseguire gli obiettivi precedentemente indicati. La prima parte, di valenza generale, oltre alla caratterizzazione dell’influente descrive nel dettaglio le diverse fasi del processo e il loro dimensionamento che in tutte le sezioni, ad eccezione del biologico, viene effettuato attraverso equazioni semplificate mettendo a confronto e analizzando i parametri progettuali proposti da letteratura. Per quanto riguarda il comparto biologico la maggior complessità del fenomeno da descrivere rende difficile la valutazione delle grandezze che caratterizzano il funzionamento mediante l’utilizzo di equazioni semplificate. Per questo si è deciso di modellare questo comparto, unito a quello della sedimentazione, attraverso un software (WEST) che permette non solo di simulare il processo ma anche, attraverso le analisi di scenario, di determinare quelli che sono i valori progettuali puntuali che consentono di ottenere da un lato una minimizzazione dei costi dell’impianto, sia costruttivi che gestionali, e dall’altro la massimizzazione delle rese depurative. Nello specifico si è fatto riferimento ad impianto fanghi attivi a schema semplificato con potenzialità fissata pari a 10000 AE. Il confronto con i dati di esercizio di alcuni impianti di analoga tipologia ha evidenziato che una buona capacità dello strumento di modellazione utilizzato di descrivere i processi. E’ possibile quindi concludere che tali strumenti, affiancati ad una lettura critica dei risultati ottenuti possono essere ottimi strumenti di supporto sia in fase di progettazione che in prospettiva di gestione dell’impianto al fine di ottimizzare i processi e quindi i costi.

Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Studio e stabilizzazione di insalate di IV gamma

Negli ultimi 50 anni il mercato alimentare è stato caratterizzato da profondi cambiamenti influenzati soprattutto da evoluzioni sociali e da notevoli mutamenti delle abitudini alimentari (Riquelme et al., 1994). La costante diffusione dei grandi supermarket ed il recente interesse verso la salute e l’ambiente, nonché la modifica dello stile di vita da parte del consumatore, hanno portato le industrie alimentari a sviluppare nuovi metodi di conservazione e di distribuzione e tipologie di prodotti innovative, come i prodotti ortofrutticoli minimamente trasformati. La perdita di qualità dei prodotti ortofrutticoli minimamente trasformati è il risultato di complessi meccanismi chimici e biochimici che si traducono macroscopicamente in modificazioni a carico del colore, delle texture e delle caratteristiche organolettiche (Mencarelli & Massantini, 1994). A fronte dei suddetti fenomeni degradativi, in un contesto di incrementale aumento della domanda dei prodotti freschi, sani, ad elevata convenience e senza additivi chimici (Day, 2002) l’introduzione delle atmosfere protettive per la conservazione degli alimenti è risultata strategica per prolungare la shelf-life ed il mantenimento qualitativo dei prodotti freschi (Jeyas & Jeyamkondan, 2002). Le attuali tecnologie disponibili per le industrie alimentari permettono l’applicazione di condizioni di atmosfera modificata sia in fase di stoccaggio di prodotti ortofrutticoli sia in fase di condizionamento. Il primo obiettivo è generalmente la parziale rimozione dell’O2 e l’aumento dei livelli di CO2 nell’ambiente circostante il prodotto. Oltre ai gas usati tradizionalmente per la realizzazione delle atmosfere modificate, quali N2 e CO2, recentemente è aumentato l’interesse verso i potenziali effetti benefici di nuovi gas, quali argon (Ar) e protossido d’azoto (N2O). Questi ultimi, ora permessi in Europa per uso alimentare, sono risultati efficaci nell’inibizione della crescita microbica e delle reazioni enzimatiche degradative, a carico soprattutto del colore e della consistenza dei vegetali minimamente processati (Spencer, 1995; Kader et al., 1989; Watada et al., 1996). Premesso questo, in tale lavoro di tesi è stata effettuata una ricerca sugli effetti di N2, N2O e Ar e di differenti trattamenti ad immersione, noti come dipping (con acido ascorbico, acido citrico e cloruro di calcio), sul metabolismo di prodotti ortofrutticoli. In particolare, per ciò che concerne la parte sperimentale, gli obiettivi principali sono stati quelli di approfondire le potenzialità di tali gas e dipping nel mantenimento qualitativo (colore, consistenza, metabolismo respiratorio) e di verificare l’efficacia di interventi combinati di dipping e MAP (atmosfera modificata) nel prolungamento della shelf-life del prodotto. Questa sperimentazione è stata effettuata su due varietà di lattuga: una da cespo (Iceberg) e una da taglio (Lattughino).

Oxymoron,progetto di un grattacielo direzionale a Shenzhen, Cina applicazione della Soft Kill Option (SKO) nella progettazione architettonica

Lo scopo della tesi è quello di affrontare la progettazione con un approccio,quanto più attuale e per certi versi avanguardista, chiamato Parametric design (progettazione parametrica), accoppiato efficacemente col concetto di Arte generativa (in questo caso Architettura). Già nel 1957 Luigi Moretti affrontò il tema dell’architettura parametrico-generativa fondando l’IRMOU (Istituto per la Ricerca Matematica e Operativa applicata all'Urbanistica) e oggi è una mentalità molto diffusa nei più grandi studi del mondo. Il tema non è solo tecnologico o informatico strumentale, ma è proprio un modo di pensare e immaginare il possibile, costruito o naturale che sia. E’ un modo di vivere la propria creatività. L’aggettivo “generativa” è legato al fatto che l’arte in esame è generata seguendo regole preimpostate e ben definite dal progettista, coerentemente agli obiettivi e alle finalità del progetto. L’evoluzione delle stesse, seguendo relazioni molto semplici, può dar vita a risultati sorprendenti e inaspettati, dotati di una notevole complessità che però, se letta nell’insieme, è perfettamente in armonia con l’idea progettuale di partenza. Il fascino di questa materia è il legame entusiasmante che crea tra architettura, ingegneria, poesia, filosofia, matematica, biologia, fisica, pittura ecc ecc. Questo perché i concetti di evoluzione, di relazione e di generazione appartengono a tutto ciò che ci circonda, e quindi alla concezione umana di vita. E’ possibile in questo modo permeare il costrutto progettuale con principi e regole oggettivamente riconoscibili e apprezzabili dallo spettatore perché instrisi di una forte veridicità processuale. Il titolo "Oxymoron" è la traduzione inglese della figura retorica ossimoro,la quale è strettamente connessa all’ispirazione progettuale: proviene dall’indagine approfondita di processi evolutivi (distruttivi in questo caso) caratterizzanti realtà naturali che, esplorate con sempre più accuratezza, determinano morfologie e forme aventi profonde radici strutturali. La distruzione che crea lo spazio. La genesi stessa della forma segue predominanti algoritmi matematici governati e corretti da variabili di diversa natura che definiscono l'enviroment di influenze interagenti ed agenti sul campione di studio. In questo caso la ricerca è focalizzata su processi erosivi fisici e chimici, di agenti esterni (quali vento e sali rispettivamente) ,di cui materiali inorganici, quali minerali e aggregati degli stessi (rocce), sono soggetti. In particolare, l’interesse è approfondito su fenomeni apparentemente emergenti dei tafoni e dei cosiddetti Micro canyon. A tal scopo si sfrutterà un metodo di soft kill option (SKO) di ottimizzazione topologica (optimization topology) attraverso gli strumenti informatici più idonei quali software di modellazione parametrica e di calcolo computazionale. La sperimentazione sta proprio nell'utilizzare uno strumento concepito per uno scopo, con un'ottica strettamente ingegneristica, per un'altra meta, ossia ricavare e ottenere se possibile un metodo di lavoro o anche solo un processo generativo tale da riprodurre o simulare casi e situazioni riscontrabili in natura negli eventi soggetti a erosione. Il tutto coerente con le regole che stanno alla base della genesi degli stessi. Il parallelismo tra singolarità naturale e architettura risiede nella generazione degli spazi e nella combinazione di questi. L’ambizioso obiettivo è quello di innescare un ciclo generativo, che messo in comunicazione diretta con un contesto variegato ed eterogeneo, dia vita a una soluzione progettuale dall'alto contenuto morfologico e spaziale.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.

Materiali per una carta della vegetazione del Sito di Importanza Comunitaria “IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia”

Scopo della tesi è la realizzazione di una carta della vegetazione su base fisionomica del SIC “IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia” (Provincia di Forlì-Cesena). Tale area, di rilevante interesse naturalistico, è stata fino ad ora scarsamente indagata dal punto di vista vegetazionale. La carta della vegetazione è stata ottenuta mediante interpretazione a video delle Ortofoto AGEA 2008 digitali e successiva restituzione cartografica con il software ArcGIS 9.3. Per la delimitazione delle abieti-faggete sono state utilizzate anche le immagini ad infrarosso del medesimo volo. I poligoni ottenuti dall’interpretazione sono stati verificati a terra mediante opportuni sopralluoghi. Sono stati inoltre eseguiti campionamenti mediante la tecnica del transetto per valutare le dinamiche della vegetazione con particolare riguardo al margine boscoprato/ pascolo, le tipologie più diffuse nel SIC. I dati raccolti hanno riguardato l’identificazione e la localizzazione degli individui nel transetto, l’altezza, il diametro, l’estensione della chioma e la determinazione dell’età per le specie arboree. L’elaborazione dei transetti è accompagnata da una restituzione grafica con il posizionamento delle diverse specie, delle loro altezze e dell’estensione delle chiome, consentendo l’effettuazione di ulteriori considerazioni sulle aree indagate. Di particolare interesse è l’acquisizione dei dati relativi alla rinnovazione di Fagus sylvatica e Quercus cerris,le specie che danno la fisionomia alle principali formazioni forestali del SIC. La definizione della carta fisionomica rappresenta un documento di base indispensabile per una successiva elaborazione di una carta della vegetazione su base fitosociologica, mentre l’analisi sui transetti ha evidenziato come i fenomeni evolutivi della vegetazione siano diffusi, seppur con modalità e gradi diversi.

Valutazione del rischio ecologico dei residui di farmaci nel suolo: analisi sperimentale della tossicità della carbamazepina sul lombrico Eisenia andrei

La carbamazepina fu commercializzata a partire dagli anni Sessanta; è un analgesico anticonvulsivante e specifico per la nevralgia del trigemino ed è uno dei principali farmaci usati nel trattamento dell’epilessia. La sua azione più nota a livello del sistema nervoso è quella di rallentare il recupero dei canali al sodio, sebbene abbia anche effetti metabolici importanti interferendo con il ciclo degli inositoli e con la GSK-3 (glicogeno sintasi-chinasi 3). Tale sostanza è sotto la lente d’ingrandimento sia per le sue caratteristiche chimico-fisiche (vedi la sua alta persistenza in ambiente) sia per la sua alta tossicità per la salute umana. Le sue proprietà terapeutiche spesso sono accompagnate da effetti collaterali sia nei pazienti che assumono direttamente il medicinale, sia negli organismi non-bersaglio che vengono a contatto con i residui ed i metaboliti del farmaco in ambiente. Le principali fonti di contaminazione dell’ambiente sono rappresentate dagli scarichi domestici, urbani, ospedalieri ed industriali e dagli effluenti di impianti di depurazione. Inoltre, l’uso irriguo di acque contenenti residui del farmaco oppure fenomeni di esondazione di corpi idrici contaminati contribuiscono ampiamente alla distribuzione di questo composto nei suoli. La matrice suolo ha avuto relativamente poca attenzione per quanto riguarda gli effetti dell’inquinamento sugli organismi in generale, ed in particolare non vi sono studi sui farmaci. Il presupposto di questo studio dunque è stato quello di mettere a punto una metodologia volta a valutare gli effetti all’esposizione del farmaco carbamazepina su organismi bioindicatori, i lombrichi della specie Eisenia andrei. Il seguente progetto è durato da Maggio 2012 a Febbraio 2013, periodo in cui sono stati effettuati saggi sub cronici per valutare l’effetto di suoli sperimentalmente contaminati con il farmaco sui parametri del ciclo vitale del lombrico (accrescimento, mortalità e riproduzione) e su una serie di biomarker cellulari (neutral red retention assay, accumulo lisosomiale di lipofuscine, accumulo lisosomiale di lipidi neutri insaturi, attività dell’enzima acetilcolinsterasi, attività dell’enzima catalasi, attività dell’ enzima glutatione-S-transferasi e concentrazione di malondialdeide). I risultati ottenuti mostrano che la carbamazepina non ha effetti sui parametri del ciclo vitale. Per quanto riguarda i parametri fisiologici si notano tuttavia dei risultati diversi. L’accumulo lisosomiale di lipofuscine e lipidi neutri indica che il metabolismo dei vermi risulta in qualche modo alterato dall’esposizione alla carbamazepina alle concentrazioni saggiate. Queste alterazioni potrebbero essere spiegate da un effetto di tipo ossidante; infatti i due biomarker oltre a rappresentare un segnale di alterazione metabolica rappresentano anche un indicazione di perossidazione lipidica. Queste osservazioni meritano di essere approfondite studiando il bioaccumulo e la degradazione della carbamazepina nei suoli, che potrebbero essere alla base della diversità di risultati rispetto alla tossicità evidenziata negli organismi acquatici. A fronte della consapevolezza dei rischi potenziali dovuti alla presenza di farmaci nelle acque e nel suolo, molto resta da fare per ampliare le conoscenze su questa tipologia di contaminazione, in particolare nei campi del monitoraggio e del comportamento ambientale, degli studi ecotossicologici e delle procedure e tecnologie idonee a limitare la loro immissione nell’ambiente.

Idrologia di un cordone di dune costiere nella zona naturale a sud di Foce Bevano

Dalla collaborazione fra il Comune di Ravenna ed ENI ha preso origine il progetto “RIGED – Ra” ossia il “Progetto di ripristino e gestione delle dune costiere ravennati”. Nell’ambito di tale attività sperimentale si è voluto effettuare una caratterizzazione dell’idrologia di una limitata, ma rappresentativa, porzione dell’acquifero freatico costiero situata in un cordone di dune posto nella Pineta di Lido di Classe, a sud di Foce Bevano. Lo studio si pone di essere rappresentativo per le caratteristiche idrogeologiche delle dune costiere adriatiche nella zona di Ravenna. A tale fine è stato valutato l’andamento di alcuni parametri chimico-fisici delle acque sotterranee; inoltre, è stata monitorata mensilmente la profondità della tavola d’acqua (water table - WT). Questi monitoraggi hanno permesso di descrivere la distribuzione delle acque dolci e di quelle salate nonché la loro dinamica stagionale. Infine, è stata eseguita un’analisi idro-geochimica con l’intento di valutare la tipologia delle acque presenti nell’area in esame e la loro eventuale variazione stagionale. Per la raccolta dei campioni è stata sfruttata l’innovativa metodologia a minifiltri utilizzata da alcuni anni nel nord dell’Europa, in modo particolare in Olanda. Questa tecnica ha due caratteristiche peculiari: i tempi di campionamento vengono ridotti notevolmente ed, inoltre, permette un’ottima precisione e rappresentatività delle acque di falda a diverse profondità poiché si effettua un campionamento ogni 0,50 m. L’unico limite riscontrato, al quale vi è comunque rimedio, è il fatto che la loro posizione risulti fissa per cui, qualora vi siano delle fluttuazioni dell’acquifero al di sopra del minifiltro più superficiale, queste non vengono identificate. È consigliato quindi utilizzare questo metodo di campionamento poiché risulta essere più performante rispetto ad altri (ad esempio al sistema che sfrutta lo straddle packers SolinstTM ) scegliendo tra due diverse strategie per rimediare al suo limite: si aggiungono minifiltri superficiali che nel periodo estivo si trovano nella zona vadosa dell’acquifero oppure si accompagna sempre il campionamento con una trivellata che permetta il campionamento del top della falda. Per quanto concerne la freatimetria il campionamento mensile (6 mesi) ha mostrato come tutta l’area di studio sia un sistema molto suscettibile all’andamento delle precipitazioni soprattutto per la fascia di duna prossima alla costa in cui la scarsa vegetazione e la presenza di sedimento molto ben cernito con una porosità efficace molto elevata facilitano la ricarica dell’acquifero da parte di acque dolci. Inoltre, sul cordone dunoso l’acquifero si trova sempre al di sopra del livello medio mare anche nel periodo estivo. Per questa caratteristica, nel caso l’acquifero venisse ricaricato artificialmente con acque dolci (Managed Aquifer Recharge), potrebbe costituire un efficace sistema di contrasto all’intrusione salina. Lo spessore d’acqua dolce, comunque, è molto variabile proprio in funzione della stagionalità delle precipitazioni. Nell’area retro-dunale, invece, nel periodo estivo l’acquifero freatico è quasi totalmente al di sotto del livello marino; ciò probabilmente è dovuto al fatto che, oltre ai livelli topografici prossimi al livello medio mare, vi è una foltissima vegetazione molto giovane, ricresciuta dopo un imponente incendio avvenuto circa 10 anni fa, la quale esercita una notevole evapotraspirazione. È importante sottolineare come durante la stagione autunnale, con l’incremento delle precipitazioni la tavola d’acqua anche in quest’area raggiunga livelli superiori a quello del mare. Dal monitoraggio dei parametri chimico – fisici, in particolare dal valore dell’Eh, risulta che nel periodo estivo l’acquifero è un sistema estremamente statico in cui la mancanza di apporti superficiali di acque dolci e di flussi sotterranei lo rende un ambiente fortemente anossico e riducente. Con l’arrivo delle precipitazioni la situazione cambia radicalmente, poiché l’acquifero diventa ossidante o lievemente riducente. Dalle analisi geochimiche, risulta che le acque sotterranee presenti hanno una composizione esclusivamente cloruro sodica in entrambe le stagioni monitorate; l’unica eccezione sono i campioni derivanti dal top della falda raccolti in gennaio, nei quali la composizione si è modificata in quanto, il catione più abbondante rimane il sodio ma non si ha una dominanza di un particolare anione. Tale cambiamento è causato da fenomeni di addolcimento, rilevati dall’indice BEX, che sono causati all’arrivo delle acque dolci meteoriche. In generale, si può concludere che la ricarica superficiale e la variazione stagionale della freatimetria non sono tali da determinare un processo di dolcificazione in tutto l’acquifero dato che, nelle zone più profonde, si rivela la presenza permanente di acque a salinità molto superiore a 10 g/L. La maggior ricarica superficiale per infiltrazione diretta nelle stagioni a più elevata piovosità non è quindi in grado di approfondire l’interfaccia acqua dolce-acqua salata e può solamente causare una limitata diluizione delle acque di falda superficiali.

Distribuzione delle Terre Rare nelle acque destinate all’alimentazione umana

La distribuzione delle Terre Rare (REE) nell’ambiente deriva da una serie di processi interagenti all’interno di un sistema dinamico che include il ciclo idrologico, attività geologiche, fisiche – chimiche (weathering), fenomeni atmosferici e attività umane. Queste contribuiscono alla dispersione superficiale di tutti gli elementi e in particolare di quelli in traccia tra cui i lantanidi (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Tm, Ho, Er, Yb e Lu) che si ritrovano un po’ ovunque in tutte le matrici, frazionate in modo diverso. L’acqua destinata al consumo alimentare è una di queste. Prelevata di solito da acquiferi profondi, superficiali o da pozzi posti in differenti contesti litologici, può essere soggetta a modifiche importanti delle proprietà fisiche-chimiche e microbiologiche. Più acque minerali relative a marche differenti e conservate in bottiglie di vetro e PET messe a confronto, hanno dimostrato che il vetro è in grado di rilasciare numerosi elementi in funzione della tipologia di acqua contenuta, del tipo di vetro (chiaro o colorato) e delle condizioni predisponenti il rilascio (proprietà intrinseche dell’elemento, fattori esterni quali fonti di calore, ecc.). Terre rare come Ce, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Er, Dy, Y e Sc possono essere ceduti in modo differenziale nell’acqua delle bottiglie. In più casi l’arricchimento è evidenziato da acque nelle quali è stata aggiunta anidride carbonica, mentre non si notano cambiamenti eccessivi nel corrispettive naturali. Per i contenitori in PET si registra un marcato rilascio di antimonio (Sb), ampiamente usato sotto forma di triossido di antimonio nel ciclo produttivo delle plastiche. Rispetto alle acque minerali, quelle di rubinetto soffrono gli effetti dei trattamenti di potabilizzazione e dell’interazione con il sistema di distribuzione idrico. La distribuzione dei lantanidi è influenzata dalle condizioni redox (particolarmente per Ce, ed Eu) e dalla relativa capacità di essere complessati e, quindi, mobilizzati in maniera differente. Nonostante il forte impatto delle attività umane, i valori anomali di alcuni (Gd, Nd) sono nell’ordine dei ng/L, come del resto per tutti gli altri e non costituiscono un pericolo per la salute umana. Al fattore geogenico si attribuiscono i tenori maggiori (ΣREE >1000ng/L) riscontrati in Sardegna.

La salinizzazione dei suoli in ambiente costiero: un caso studio a sud di Ravenna

La fascia costiera ravennate è soggetta ad un precario equilibrio ambientale dovuto alla morfodinamica naturale molto attiva e tipica di tali ambienti, quali: sedimentazione, erosione, subsidenza e salinizzazione. A queste, in tempi diversi, sono venuti ad associarsi altri processi, indotti dall’attività antropica, che hanno portato alla scomparsa di gran parte dei caratteri paesaggistico-ambientali originari: le dune sono state in parte spianate, le paludi bonificate, le superfici boschive fortemente ridotte e le spiagge in buona parte occupate da stabilimenti per il turismo balneare. Nel presente studio è stata effettuata una valutazione territoriale del rischio di salinizzazione nei suoli della piana agricola costiera presenti nella zona sud ravennate. Partendo dall’individuazione dell’area di studio è stata effettuata una caratterizzazione pedologica delle tipologie di suolo presenti e una valutazione di tipo chimico-fisiche per verificare l’effettivo livello di manifestazione del problema della salinizzazione. Dalle analisi effettuate si sono riscontrati valori di CE elevati nei profili prossimi alla costa determinati dalla presenza degli ioni sodio e cloruro, mentre i terreni più interni posti in zona depressa non presentano fenomeni di salinizzazione degni di nota, ad accezione di alcune situazioni localizzate e fortunatamente solo in profondità. Le analisi delle acque di falda della Pineta Ramazzotti invece, hanno evidenziato valori di CE elevati ( >2 dS.m-1 ) che porta a classificarle come acque di falda lievemente - sensibilmente contaminate da parte dell’acqua di mare, risultando quindi una zona in cui il fenomeno della salinizzazione risulta significativo. Concludendo si può affermare che tale ambiente fragile e sensibile deve essere oggetto di un costante monitoraggio, ponendo l’attenzione su modificazioni ambientali, o politiche di gestione territoriale che possono indurre effetti assai gravi.

Caratterizzazione geochimica dei sedimenti di alcuni siti di alimentazione e di riproduzione del Fenicottero (Phoenicopterus roseus) nel Mediterraneo

Il presente lavoro è stato avviato per caratterizzare dal punto di vista geochimico i siti di alimentazione e di riproduzione del Fenicottero ed ottenere così un dataset relativo alle concentrazioni di metalli nei sedimenti di alcune zone umide, utilizzate da questa specie per alimentarsi e riprodursi e scarsamente studiate in passato. Il lavoro di tesi qui presentato si è articolato in due differenti studi: • Un’indagine dettagliata sulla presenza e distribuzione di metalli ed elementi potenzialmente tossici nei sedimenti provenenti da alcune delle principali aree di alimentazione del Fenicottero nell’Alto Adriatico; • Un’indagine preliminare relativa ai metalli contenuti nei sedimenti provenienti da alcuni siti riproduttivi del Fenicottero nel Mediterraneo occidentale. Per quanto riguarda i siti di alimentazione sono state campionate tre zone umide dell’area deltizia del fiume Po: le Valli di Rosolina, Valle Bertuzzi e le Valli di Comacchio. Riguardo i siti riproduttivi sono state campionate cinque aree umide nel Mediterraneo occidentale: le Paludi dell’Odiel nel sud-ovest della Spagna, la Camargue in Francia, lo Stagno di Cagliari in Sardegna, le Valli di Comacchio in Emilia-Romagna e Valle Dogà in Laguna di Venezia. I 57 campioni raccolti sono stati analizzati mediante analisi XRF ed analisi termiche, presso il Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche e Ambientali, dell’Università di Bologna, e mediante analisi ICP-MS, presso l’AcmeLabs di Vancouver (Canada). Il complesso deltizio del fiume Po ha registrato concentrazioni anomale di Cd, Pb, Sb e Sn mostrando un generale arricchimento nei sedimenti delle aree umide investigate rispetto al valore di riferimento. Analizzando le correlazioni di questo elemento con le frazioni dei sedimenti, si è evidenziata una buona correlazione con la componente organica del sedimento. Ciò potrebbe indicare la presenza di fenomeni di adsorbimento di questo elemento ad opera della matrice organica. L’area di studio non è apparentemente interessata da importanti attività industriali, che potrebbero in parte spiegare le elevate concentrazioni di Cd, Pb, Sb e Sn. Due potenziali sorgenti antropogeniche di contaminazione sono rappresentate da un’estensiva attività agricola nelle zone limitrofe alle valli considerate e da un elevata pressione venatoria esercitata proprio all’interno di queste zone umide. In particolare, quest’ultima attività umana, potrebbe rappresentare una spiegazione più che plausibile per l’elevata presenza di Pb, messa in evidenza dallo studio, dato che fino ad pochissimi anni venivano utilizzate munizioni al Pb con conseguente rilascio in ambiente di ingenti quantitativi di questo metallo. Il Cu e lo Zn si distribuiscono invece in modo relativamente omogeneo nelle tre zone umide investigate, con un debole arricchimento di questi due elementi nei sedimenti delle Valli di Rosolina. Per quanto riguarda l’As, la sua distribuzione nell’area di studio, confrontata con i valori di background, non sembra sollevare particolare preoccupazione, cosi come la presenza di Hg in tutti e tre i siti investigati. Le Valli di Comacchio e Valle Bertuzzi sono inoltre caratterizzate da concentrazioni elevate di Cr e Ni, dati che confermano il naturale arricchimento di questi due elementi nell’area di studio evidenziato da un ampia letteratura e riconducibile ad apporti litologici provenienti dai depositi ofiolitici delle Alpi occidentali trasportati dal fiume Po verso l’Adriatico. Tuttavia, in alcuni campioni la concentrazione di Cr è molto superiore a quella caratteristica delle ofioliti di origine alpina, soprattutto per Valle Bertuzzi. Per spiegare queste anomalie sono necessarie indagini più approfondite sulla presenza e distribuzione di Cr nell’area di Comacchio e Bertuzzi. Riguardo ai 5 siti riproduttivi del Fenicottero, la colonia di Odiel (Spagna) si distingue per essere il sito maggiormente contaminato tra quelli investigati. Si sono infatti riscontrate elevate concentrazioni di As, Cu, Hg, Pb, Sb, Sn e Zn, se confrontate con quelle degli altri siti campionati. Questo risultato non sorprende. Il sito è infatti riconosciuto in letteratura come uno dei sistemi estuarini più inquinati dell’Europa occidentale, in quanto interessato dall’attività mineraria della IPB (Iberian Pyrite Belt), uno dei più importanti siti minerari mondiali, e dall’attività del polo industriale di Huelva. La colonia francese della Camargue si distingue invece per essere il sito meno impattato dall’attività antropica, non mostrando concentrazioni anomale per nessuno degli elementi in traccia analizzati. I sito riproduttivo situato nei pressi di Cagliari, in Sardegna, ha riportato elevate concentrazioni di Cd, Hg e Pb. La contaminazione di questo sito a seguito di ingenti scarichi di rifiuti industriali contenenti Hg e Pb a partire dagli anni ’60 è ben documentata in letteratura. Sebbene negli anni ’90 siano stati realizzati progetti di bonifica del sito, le concentrazioni ottenute nel presente studio sono ancora elevate suggerendo la possibilità che il processo di rimozione di Hg e Pb messo in atto in passato possa aver avuto scarsa efficacia. La colonia riproduttiva di Comacchio ha registrato concentrazioni elevate di Cr, Ni e Pb. Come già detto riguardo ai siti di alimentazione l’abbondanza di Cr e Ni nell’area è da ricondurre a fattori naturali, mentre le elevate concentrazioni di Pb non trovano riscontri in precedenti studi. La presenza di alcuni campioni con concentrazioni anomale di Cr e il generale arricchimento di Pb nel sito suggeriscono la necessità di studi più approfonditi e specifici sulla presenza di questi elementi nell’area di Comacchio. Infine, la colonia situata in Laguna di Venezia si caratterizza per avere concentrazioni relativamente elevate di Cd e Hg riconducibili all’attività del polo industriale di Porto Marghera, come già evidenziato da numerosi studi. Tuttavia, i dati del presente studio non confermano le concentrazioni anomale di Zn messe in evidenza da molti studi effettuati nell’intera laguna veneta. Ciò può trovare una spiegazione nel fatto che il sito indagato in questo studio corrisponde ad un piccola porzione dell’intera laguna, molto raramente investigato negli studi passati. Mediante il presente studio è stato quindi possibile implementare le scarse conoscenze geochimiche relative ai sedimenti di alcune zone umide frequentate dai fenicotteri nell’Alto Adriatico e, al contempo, mettere in luce alcune importanti criticità, in particolar modo riguardo Cd, Cr, Pb, Sb e Sn, la cui presenza e distribuzione nell’area dovrebbero essere ulteriormente investigate da studi futuri.