Performance Analysis and Improvements for the Future Aeronautical Mobile Airport Communications System (AeroMACS)

This thesis deals with the development of the upcoming aeronautical mobile airport communications system (AeroMACS) system. We analyzed the performance of AeroMACS and we investigated potential solutions for enhancing its performance. Since the most critical results correspond to the channel scenario having less diversity1, we tackled this problem investigating potential solutions for increasing the diversity of the system and therefore improving its performance. We accounted different forms of diversity as space diversity and time diversity. More specifically, space (antenna and cooperative) diversity and time diversity are analyzed as countermeasures for the harsh fading conditions that are typical of airport environments. Among the analyzed techniques, two novel concepts are introduced, namely unequal diversity coding and flexible packet level codes. The proposed techniques have been analyzed on a novel airport channel model, derived from a measurement campaign at the airport of Munich (Germany). The introduced techniques largely improve the performance of the conventional AeroMACS link; representing thus appealing solutions for the long term evolution of the system.

Radar based improvements and diagnosis of the convective capabilities of the cosmo-2 model

In the last few years the resolution of numerical weather prediction (nwp) became higher and higher with the progresses of technology and knowledge. As a consequence, a great number of initial data became fundamental for a correct initialization of the models. The potential of radar observations has long been recognized for improving the initial conditions of high-resolution nwp models, while operational application becomes more frequent. The fact that many nwp centres have recently taken into operations convection-permitting forecast models, many of which assimilate radar data, emphasizes the need for an approach to providing quality information which is needed in order to avoid that radar errors degrade the model's initial conditions and, therefore, its forecasts. Environmental risks can can be related with various causes: meteorological, seismical, hydrological/hydraulic. Flash floods have horizontal dimension of 1-20 Km and can be inserted in mesoscale gamma subscale, this scale can be modeled only with nwp model with the highest resolution as the COSMO-2 model. One of the problems of modeling extreme convective events is related with the atmospheric initial conditions, in fact the scale dimension for the assimilation of atmospheric condition in an high resolution model is about 10 Km, a value too high for a correct representation of convection initial conditions. Assimilation of radar data with his resolution of about of Km every 5 or 10 minutes can be a solution for this problem. In this contribution a pragmatic and empirical approach to deriving a radar data quality description is proposed to be used in radar data assimilation and more specifically for the latent heat nudging (lhn) scheme. Later the the nvective capabilities of the cosmo-2 model are investigated through some case studies. Finally, this work shows some preliminary experiments of coupling of a high resolution meteorological model with an Hydrological one.

Modelling and Design of Advanced Reliable Circuits and Devices for Energy Efficiency

Reliable electronic systems, namely a set of reliable electronic devices connected to each other and working correctly together for the same functionality, represent an essential ingredient for the large-scale commercial implementation of any technological advancement. Microelectronics technologies and new powerful integrated circuits provide noticeable improvements in performance and cost-effectiveness, and allow introducing electronic systems in increasingly diversified contexts. On the other hand, opening of new fields of application leads to new, unexplored reliability issues. The development of semiconductor device and electrical models (such as the well known SPICE models) able to describe the electrical behavior of devices and circuits, is a useful means to simulate and analyze the functionality of new electronic architectures and new technologies. Moreover, it represents an effective way to point out the reliability issues due to the employment of advanced electronic systems in new application contexts. In this thesis modeling and design of both advanced reliable circuits for general-purpose applications and devices for energy efficiency are considered. More in details, the following activities have been carried out: first, reliability issues in terms of security of standard communication protocols in wireless sensor networks are discussed. A new communication protocol is introduced, allows increasing the network security. Second, a novel scheme for the on-die measurement of either clock jitter or process parameter variations is proposed. The developed scheme can be used for an evaluation of both jitter and process parameter variations at low costs. Then, reliability issues in the field of “energy scavenging systems” have been analyzed. An accurate analysis and modeling of the effects of faults affecting circuit for energy harvesting from mechanical vibrations is performed. Finally, the problem of modeling the electrical and thermal behavior of photovoltaic (PV) cells under hot-spot condition is addressed with the development of an electrical and thermal model.

Design, synthesis and Chemical-physical characterization of photocatalytic inorganic nanocrystals for technological applications

This work was based on the synthesis and characterization of innovative crystals for biomedical and technological applications. Different types of syntheses were developed in order to obtain crystals with high photocatalytic properties. A hydrothermal synthesis was also processed to correlate the chemical-physical characteristics with synthesis parameters obtaining synthesis of nanoparticles of titanium dioxide with different morphology, size and crystalline phase depending on the variation of the synthesis parameters. Also a synthesis in water at 80 °C temperature and low pressure was developed from which anatase containing a small percentage of brookite nanoparticles were obtained, presenting a high photocatalytic activity. These particles have been used to obtain the microcrystals formed by an inorganic core of hydroxyapatite surface covered by TiO2 nanoparticles. Micrometer material with higher photocatalytic has been produced. The same nanoparticles have been functionalized with resorcinol oxidized in order to increase the photocatalytic efficiency. Photodegradation test results have confirmed this increase. Finally, synthetic nanoparticles with a waterless synthesis using formic acid and octanol, through esterification "in situ" were synthesized. Nanoparticles superficially covered by carboxylic residues able to bind a wide range of molecules to obtain further photocatalytic properties were obtained.

Skin tissue engineering: medical problems and technological solutions.

In questo elaborato si affrontano problematiche cliniche legate ai traumi gravi della cute in cui è necessario intervenire chirurgicamente per ripristinare una situazione normale: si approfondisce lo studio della fisiologia del tessuto, la classificazione dei gradi delle ustioni della pelle, la guarigione delle ferite e la meccanica della cute. Il trapianto di tessuto autologo costituisce la soluzione più efficace e con minori complicazioni. Tuttavia il paziente potrebbe non presentare una superficie di cute disponibile sufficientemente estesa, per cui si ricorre ad altri metodi. In primo luogo, si effettuano degli allotrapianti di tessuto di donatore cadavere prelevati secondo le normative vigenti e conservati attraverso le varie tecniche, il cui sviluppo ha consentito una durata di conservazione maggiore; mentre la glicerolizzazione abbatte al 100% il rischio di trasmissione di patologie e lo sviluppo di microorganismi, la crioconservazione preserva la vitalità del tessuto. La chirurgia utilizzata per queste operazioni si avvale di tecnologie innovative come la Tecnologia a Pressione Negativa. Un'alternativa necessaria per sopperire all'ingente richiesta di tessuto di donatore sono i sostituti cutanei, che presentano un grande potenziale per il futuro. Per eliminare totalmente il rischio di rigetto sarebbe necessario personalizzare il costrutto utilizzando cellule autologhe, ma la ricerca è stata rallentata da minori investimenti da parte dell'industria biomedica, che si è maggiormente focalizzata sulla realizzazione di prodotti utilizzabili da un più ampio raggio di pazienti. Per queste ragioni, l'ingegneria tissutale della cute ha trovato più ampio campo di applicazione nel sistema dei test in vitro. A tale scopo sono stati creati dei protocolli certificati per testare la corrosività, la irritabilità e la vitalità del tessuto cutaneo, quali EpiDerm, EpiSkin e SkinEthic che si avvalgono dell'uso del metodo MMT e della spettrofotometria, che è diventata un supporto fondamentale per le scienze biologiche.

Technological trajectories and environmental policy: the transformation of the automobile

This thesis aims to fill the gap in the literature by examining the relationship between technological trajectories and environmental policy in the automotive industry, focusing on the role of environmental policies in unlocking the industry from fossil fuel path-dependence. It first explores the inducement mechanism that underpins the interaction between environmental policy and green technological advances, investigating under what conditions the European environmental transport policy portfolio and the intrinsic characteristics of assignees' knowledge boost worldwide green patent production. Subsequently, the thesis empirically analyses the dynamics of technological knowledge involved in technological trajectories assessing evolution patterns such as variation, selection and retention, in order to study the impact of policy implementation on technological knowledge related to electric and hybrid vehicle technologies. Finally, the thesis sheds light on the drivers that encourage a shift from incumbent internal combustion engine technologies towards low-emission vehicle technologies. This analysis tests whether tax-inclusive fuel prices and technological proximity between technological fields induce a shift from non-environmental inventions to environmentally friendly inventive activities and if they impact the competition between alternative vehicle technologies. The findings provide insights into the effectiveness of environmental policy in triggering inventive activities related to the development of alternative vehicle technologies. In addition, there is evidence that environmental policy redirects technological efforts towards a sustainable path and impacts the competition between low-emission vehicles.

Ternary lithium based compounds used for technological applications

Im Rahmen dieser Dissertation wurden ternäre Li-haltige Halb-Heusler Verbindungen sowie dazu strukturell-verwandte Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen sind potentielle Kandidaten für optoelektronische und spintronische Anwendungen.rnEinige der untersuchten Verbindungen sind auch als Elektroden Materialien inrnLi-Batterien geeignet. Neben der Synthese und der Untersuchung der chemischenrnEigenschaften wurden daher insbesondere die physikalischen Eigenschaften näherrnuntersucht. Im speziellen wurden Halb-Heusler Verbindungen wie LiMgZ (Z = P,rnAs, Sb) und LiZn1−xMnxP synthetisiert und charakterisiert. Des Weiteren wurdenrndie Verbindungen LiMnAs, LaOMnAs und LiCuS näher studiert.rnVerbindungen des Typs LiMgZ (Z = P, As, Sb) sind potentielle Anode-Materialienrnin Li-Batterien. Im Rahmen der Arbeit gelang es diese Verbindungen einphasig zurnsynthetisieren. Mit Hilfe der UV-VIS Spektroskopie wurden Bandlücken im Bereichrnvon 0.9 und 2.3 eV bestimmt. 7Li NMR Spektroskopie zeigte eine ausreichende LirnMobilität, die sich mit steigender Temperatur erhöht.rnWeiterhin wurde die Mischkristallserie LiZn1−xMnxP mit x = 0.04, 0.08 und 0.10rnuntersucht. Ziel dieser Arbeit war es aus dem Halbleiter LiZnP durch Dotierungrneinen verdünnten magnetischen Halbleiter herzustellen. Diese Materialien werdenrninsbesondere in der Spintronik benötigt. Optische Messungen zeigten, dass diernDotierung bis x = 0.10 zu einer Reduzierung der Bandlücke von 1.80 eV für LiZnPrnzu 1.18 eV für LiZn0.90Mn0.10P führt. Magnetische Untersuchungen erwiesen paramagnetischesrnCurie-Weiss Verhalten und negative Weiss Konstanten, die auf einernantiferromagnetische Ordnung bei tiefen Temperaturen hindeuten.rnLiMnAs und LaOMnAs sind beides antiferromagnetische Halbleiter, die insbesonderernf¨ur spinelektronische Anwendungen von Bedeutung sind. Die magnetischernStruktur von LiMnAs wurde mit Hilfe der Neutronenbeugung näher untersucht. DiernNeel Temperatur wurde zu 374 K bestimmt. Bei einer Temperatur von T = 768 Krnkommt es zu einer Phasenumwandlung. Die tetragonale Struktur wandelt sich hierrnin einer kubischen Halb-Heusler Phase um. Dichte Funktional Rechnungen sind inrnguter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Darüberhinaus wurde diernKopplung der magnetischen Momente näher bestimmt.rnrnEine Verbindung der Zusammensetzung LiCuS wurde in der Literatur beschriebenrnals eine Phase, die sich bei der Reaktion von Li mit CuS in Li/CuS Batteriesystemrnbildet. Diese Verbindung ist auch als Ersatz von CdS in Pufferschicht vonrnDünnfilm-Solarzellen von Interesse. Es gelang erstmals diese Verbindung einphasigrnherzustellen. Sie kristallisiert gelb mit der nicht-stöchiometrischen ZusammensetzungrnLi1.1Cu0.9S. Die Kristallstruktur wurde mit Hilfe von NMR, PXRD und Neutronenbeugungrnaufgeklärt. Die Bandlücke wurde aus den optischen Messungenrnvon Dünnschichten bestimmt und beträgt circa 2 eV. Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit DFT Ergebnissen. Wird der Li-Gehalt erhöht, erhält manrnab circa Li1.7Cu0.3S eine kubische Phase. Sie ist isotyp mit Li2S, die im anti-CaF2 Typ kristallisiert. Diese Verbindung ist ein direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 2.4 eV nach DFT Rechnungen.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Monte Carlo dose calculation improvements for low energy electron beams using eMC

The electron Monte Carlo (eMC) dose calculation algorithm in Eclipse (Varian Medical Systems) is based on the macro MC method and is able to predict dose distributions for high energy electron beams with high accuracy. However, there are limitations for low energy electron beams. This work aims to improve the accuracy of the dose calculation using eMC for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators. Improvements implemented into the eMC include (1) improved determination of the initial electron energy spectrum by increased resolution of mono-energetic depth dose curves used during beam configuration; (2) inclusion of all the scrapers of the applicator in the beam model; (3) reduction of the maximum size of the sphere to be selected within the macro MC transport when the energy of the incident electron is below certain thresholds. The impact of these changes in eMC is investigated by comparing calculated dose distributions for 4 and 6 MeV electron beams at source to surface distance (SSD) of 100 and 110 cm with applicators ranging from 6 x 6 to 25 x 25 cm(2) of a Varian Clinac 2300C/D with the corresponding measurements. Dose differences between calculated and measured absolute depth dose curves are reduced from 6% to less than 1.5% for both energies and all applicators considered at SSD of 100 cm. Using the original eMC implementation, absolute dose profiles at depths of 1 cm, d(max) and R50 in water lead to dose differences of up to 8% for applicators larger than 15 x 15 cm(2) at SSD 100 cm. Those differences are now reduced to less than 2% for all dose profiles investigated when the improved version of eMC is used. At SSD of 110 cm the dose difference for the original eMC version is even more pronounced and can be larger than 10%. Those differences are reduced to within 2% or 2 mm with the improved version of eMC. In this work several enhancements were made in the eMC algorithm leading to significant improvements in the accuracy of the dose calculation for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators.

Position paper on the management of patients with obstructive sleep apnea and hypertension: joint recommendations by the European Society of Hypertension, by the European Respiratory Society and by the members of European COST (COoperation in Scientific and Technological research) ACTION B26 on obstructive sleep apnea

This article is aimed at addressing the current state of the art in epidemiology, pathophysiology, diagnostic procedures and treatment options for appropriate management of obstructive sleep apnea (OSA) in cardiovascular (particularly hypertensive) patients, as well as for the management of cardiovascular diseases (particularly arterial hypertension) in OSA patients. The present document is the result of the work done by a panel of experts participating in the European Union COST (COoperation in Scientific and Technological research) ACTION B26 on OSA, with the endorsement of the European Respiratory Society (ERS) and the European Society of Hypertension (ESH). These recommendations are particularly aimed at reminding cardiovascular experts to consider the occurrence of sleep-related breathing disorders in patients with high blood pressure. They are at the same time aimed at reminding respiration experts to consider the occurrence of hypertension in patients with respiratory problems at night.