Studio sperimentale dello stoccaggio di idrogeno in idruri metallici

Negli ultimi decenni, il riscaldamento globale, causato dall’emissioni di gas serra in atmosfera, ha spinto i governi ad agire verso una progressiva sostituzione della generazione elettrica da fonte fossile con quella da rinnovabile. La non programmabilità di alcune fonti rinnovabili ha reso necessario l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia elettrica. In particolare, la produzione di idrogeno sembra essere una valida soluzione, ma il suo stoccaggio è uno dei principali ostacoli alla sua diffusione. Tra i diversi metodi di stoccaggio, quello più promettente è quello in idruri metallici. Affinché questa tecnologia diventi competitiva, è però necessario migliorare la cinetica della reazione di assorbimento/desorbimento dell’idrogeno nel sito metallico, attraverso una migliore gestione del calore prodotto/richiesto dalla reazione. In questo contesto, la presente tesi ha come obiettivo l’ottimizzazione del processo di carica di bombole agli idruri metallici, situate all’interno di una microgrid per la generazione e l’accumulo di energia da fotovoltaico, attraverso lo sviluppo di un sistema di controllo della temperatura delle bombole, e la realizzazione di prove sperimentali per valutare i reali benefici che esso comporta, in termini di capacità di stoccaggio e velocità di assorbimento dell’idrogeno. Dopo aver presentato il contesto energetico, lo stato dell’arte degli idruri metallici e la microgrid in cui sono situate le bombole, sono state descritte due versioni diverse del sistema ideato: una versione definitiva, che potrà essere realizzata per eventuali studi futuri, e una versione semplificata, che è stata poi realizzata in laboratorio. È stato descritto nel dettaglio il setup sperimentale, realizzato per svolgere le prove sul processo di carica della bombola, e sono stati poi riportati e confrontati i risultati ottenuti nel caso in cui non si è fatto uso del prototipo e quelli ottenuti nel caso in cui viene invece utilizzato per raffreddare la bombola.

Spettroscopia di fotocorrente su perovskiti ibride in diverse condizioni ambientali

Le perovskiti ibride ad alogenuri costituiscono una classe di materiali con proprietà elettroniche e bassi costi di fabbricazione tali da renderle ottime candidate per applicazioni quali la produzione di celle solari, detector, LED e laser. L’impiego pratico delle perovskiti tuttavia è limitato: i dispositivi basati su questi materiali sono instabili a causa della spiccata reattività con l’ambiente esterno, come umidità e ossigeno. Nelle perovskiti inoltre la conduzione non è solo elettronica, ma anche ionica, caratteristica che contribuisce alla rapida degradazione dei materiali. In questa tesi si vuole studiare il contributo del trasporto ionico ed elettronico alla corrente nella perovskite MAPbBr3 (tribromuro di metilammonio piombo) e la reattività di tale materiale con l’ambiente. A tal proposito si usa la tecnica Intensity Modulated Photocurrent Spectroscopy (IMPS), che consiste nel misurare la fotocorrente prodotta da un dispositivo optoelettronico in funzione della frequenza di modulazione di una sorgente luminosa, quale LED o laser. Si ripetono le misure IMPS in aria, vuoto e argon, per studiare l’impatto dell’atmosfera sulla risposta del campione. Con un apposito software si esegue il fit dei dati sperimentali e si estrapolano i tempi caratteristici dei portatori di carica: si ottengono valori dell’ordine del μs per elettroni e lacune, del s per gli ioni mobili. Si confronta quindi il comportamento del campione nelle varie atmosfere. Si evince come in aria sia presente un maggior numero di specie ioniche che migrano nel materiale rispetto ad atmosfere controllate come il vuoto e l’argon. Tali specie sono associate a ioni mobili che si formano in seguito all’interazione del materiale con molecole di ossigeno e acqua presenti nell’ambiente.

Parametrizzazione e validazione di campi di forza polarizzabili per l'acetonitrile

Il perfezionamento dei campi di forza in meccanica molecolare, necessario per migliorare l’accuratezza della modellazione classica di materiali, è un procedimento dispendioso. L’accuratezza dei campi di forza è tuttavia la chiave per la predizione affidabile di proprietà chimico-fisiche dalle simulazioni MD. A questo scopo, risulta importante l’inclusione esplicita della polarizzazione, trascurata nei campi di forze tradizionali. Il modello dell’oscillatore di Drude rappresenta una soluzione computazionalmente conveniente ed è implementato in diversi software di simulazione. In questo modello, la polarizzazione atomica è resa dall’introduzione di una particella carica e di massa ridotta, ancorata all’atomo polarizzabile. In questo lavoro di tesi abbiamo sviluppato una procedura per ottenere un campo di forza polarizzabile per molecole organiche in fase liquida, prendendo in esame un solvente polare molto comune: l’acetonitrile. Il nostro approccio si serve di calcoli quantomeccanici preliminari per la determinazione dei valori di riferimento di alcune proprietà molecolari: le cariche parziali atomiche, il momento di dipolo e la polarizzabilità. A questi calcoli seguono due fasi di parametrizzazione basate su algoritmi di minimizzazione. La prima fase riguarda la parametrizzazione delle polarizzabilità atomiche descritte con il modello di Drude e ha come scopo la riproduzione della polarizzabilità molecolare quantomeccanica. Nella seconda fase, si sono ottimizzati i parametri del potenziale Lennard-Jones in modo da riprodurre la densità sperimentale a temperatura e pressione ambiente, ottenendo diverse parametrizzazioni del campo di forza polarizzabile. Infine, queste parametrizzazioni sono state confrontate sulla base della loro capacità di riprodurre alcune proprietà di bulk, quali entalpia di vaporizzazione, costante dielettrica, coefficiente di diffusione e specifiche funzioni di distribuzione radiale.

Studio degli eventi di muone nell'esperimento XENONnT

La Materia Oscura (Dark Matter, DM) deve il suo nome al fatto che non interagisce elettromagneticamente, ma solo gravitazionalmente e debolmente (proprietà che ne complica particolarmente la rivelazione). Molti sforzi, sia sperimentali che teorici, sono stati dedicati alla sua ricerca a tal punto da essere considerata uno dei più grandi misteri della fisica moderna. I candidati più promettenti a costituire la materia oscura sono da ricercarsi in teorie oltre il Modello Standard e fra essi figurano le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Poiché le particelle di DM sono caratterizzate da sezioni d’urto molto piccole, per poterle osservare si necessita di grandi rivelatori, ultrapuri e situati in ambienti a bassa radioattività. XENONnT è attualmente uno degli esperimenti più sensibili al mondo per la ricerca diretta di WIMPs, grazie all’utilizzo di una camera di proiezione temporale (TPC) a doppia fase (liquido-gas) che presenta una massa bersaglio di 5.9 t di xenon liquido (LXe). XENONnT mira a rilevare lo scattering di WIMPs contro i nuclei bersaglio, sfruttando i segnali osservabili di luce e carica prodotti dai rinculi nel LXe. Per raggiungere tale risultato sono fondamentali il sistema di veto di neutroni (Neutron Veto, NV) ed il sistema di veto di muoni (Muon Veto, MV): il NV ha lo scopo di rivelare i neutroni radiogenici provenienti dai materiali dell’esperimento mentre il MV (già impiegato in XENON1T) ha la finalità di eliminare il rumore di fondo dovuto ai raggi cosmici. L'obiettivo di questa tesi è lo studio degli eventi muone osservati dal MV ed il NV di XENONnT; misurarne il rate e verificare la congruenza dei risultati ottenuti con quanto atteso da simulazioni Monte Carlo. Questa prova ha costituito un'ulteriore verifica del corretto funzionamento dei sistemi di veto, ed ha permesso di approfondire la conoscenza sulla risposta del Neutron Veto al passaggio di un muone all’interno del suo volume attivo.

Equazione di Dirac in grafene con deformazioni di reticolo

In questa tesi si sono analizzate le principali conseguenze dovute alle deformazioni nel reticolo cristallino del grafene. Si è fatta innanzitutto, una descrizione generale della struttura cristallina, seguita dal caso specifico del reticolo esagonale del grafene. Si è poi, passati alla struttura elettronica studiata in approssimazione di legame forte tramite il formalismo della seconda quantizzazione, arrivando a descrivere la particolare struttura a bande coniche del grafene, dove i portatori di carica, detti quasiparticelle, sono ben descritti dall'equazione di Dirac. Si sono, in seguito, introdotte le deformazioni del reticolo e i metodi per ottenerle, arrivando ad ampliare l'equazione di Dirac, inserendo in essa gli effetti dei potenziali, pseudo-vettore e scalare, indotti dalla deformazione. Questi potenziali indotti portano con loro alcune conseguenze, si sono analizzate in particolare quelle sulla distribuzione di carica, con particolare attenzione agli effetti di confinamento, e quelle sul trasporto di carica, in particolare riguardanti il filtraggio di valle.

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

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

Analisi e caratterizzazione di isolanti elettrici nanostrutturati a base polimerica per applicazioni in sistemi HVDC

I sistemi di trasporto dell’energia elettrica per lunghe distanze possono dimostrarsi convenienti attraverso l’utilizzo di cavi in corrente continua ad alta tensione (HVDC). Essi possono essere installati seguendo la classica configurazione aerea, oppure interrati, dove le difficili condizioni ambientali, possono portare alla degradazione dei materiali. I materiali polimerici che costituiscono l’isolamento del cavo sono soggetti ad invecchiamento, diventando sempre più fragili e poco affidabili sia a seguito delle condizioni ambientali che dall’applicazione dell’alta tensione, che comporta un forte campo elettrico fra la superficie del conduttore e l’isolante esterno. Per determinare l’integrità e le caratteristiche dei materiali polimerici si utilizzano tecniche diagnostiche. Molte tecniche prevedono però la distruzione del materiale, quindi se ne cercano altre non distruttive. Questa tesi studia gli effetti dell’aggiunta di un additivo alla matrice polimerica del materiale isolante, utilizzando la tecnica di spettroscopia dielettrica, la misura di conducibilità e il metodo dell’impulso elettroacustico. I provini testati sono costituiti da una matrice di polipropilene e polipropilene additivato con nitruro di boro, testati alle temperature di 20, 40, 70°C. In particolare, il primo capitolo introduce i sistemi HVDC, per poi presentare le caratteristiche e le proprietà dei materiali nanodielettrici. Nella terza parte si descrive il set sperimentale utilizzato nelle prove condotte. Nei capitoli 4 e 5 sono riportati i risultati ottenuti e la loro discussione.

Caratterizzazione delle proprietà elettriche di nanocompositi a matrice epossidica additivata con Quantum Dots

Questo elaborato prevede la caratterizzazione delle proprietà elettriche di nanocompositi a matrice epossidica additivata con Quantum Dots. Inizialmente sono state presentate le caratteristiche fondamentali dei materiali polimerici con particolare attenzione alle proprietà elettriche. In seguito, sono stati descritti i temi pratici e teorici delle misure che permettono di ottenere i risultati utili alla caratterizzazione, nello specifico: Spettroscopia Dielettrica, metodo Pulsed Electro-Acustic (PEA), Prova di Conducibilità e metodo Thermally Simulated Depolarization Current (TSDC). Le misure sono state effettuate su dei provini di resina epossidica vergine e nanocompositi Epoxy/QDsCS. Sono stati esposti i processi fondamentali che portano alla realizzazione dei diversi provini e di seguito sono stati mostrati i risultati delle misure precedentemente elencate. L’analisi e l’elaborazione dei dati ha portato alla caratterizzazione finale e permette di concludere che l’inserzione di Quantum Dots Core-Shell non provoca variazioni della conducibilità del materiale ma ne modifica le proprietà dielettriche, quali profondità di trappola e carica di spazio.

Emissione di sincrotrone e applicazioni astrofisiche

Nel 1932 l'ingegnere e fisico Karl Jansky progettò un’antenna in grado di rilevare onde radio alla frequenza di 20.5 MHz, con la quale notò un'emissione diffusa che proveniva da ogni zona del cielo e si intensificava verso la costellazione del Sagittario. Oggi sappiamo che quella osservata da Jansky è radiazione di sincrotrone. Il meccanismo di emissione di sincrotrone affonda le sue radici nelle leggi dell'elettromagnetismo: quando una particella carica attraversa una regione di spazio in cui è presente un campo magnetico, viene accelerata dalla forza di Lorentz e comincia ad irraggiare in virtù dell'accelerazione subita, come previsto dalla formula di Larmor. A seconda che il moto avvenga a velocità non relativistiche, relativistiche o ultrarelativistiche, l’emissione è chiamata rispettivamente radiazione di ciclotrone, ciclotrone relativistico e sincrotrone. L’emissione diffusa osservata da Jansky, allora, può essere interpretata come radiazione di sincrotrone prodotta dall’interazione delle particelle ultrarelativistiche dei raggi cosmici con il campo magnetico che permea la Via Lattea, mentre l’emissione più intensa nel Sagittario è oggi identificata con la radiosorgente Sagittarius A*, localizzata in corrispondenza del buco nero supermassiccio al centro della Galassia. L’emissione di sincrotrone rappresenta uno dei processi di emissione più rilevanti in Astrofisica ed è in grado di spiegare l’origine di gran parte della radiazione osservata nella banda radio, tanto di quella diffusa quanto di quella generata da radiosorgenti individuali, come radiogalassie e resti di supernova. Le proprietà e la peculiare distribuzione spettrale della radiazione di sincrotrone consentono di ricavare una serie di informazioni sulla sorgente da cui è stata emessa. Per via dello stretto legame con il campo magnetico, inoltre, la radiazione di questo tipo è uno strumento d’indagine fondamentale per la ricostruzione del campo magnetico galattico ed extragalattico.

Soluzione analitica di un modello semplificato per la circolazione sistemica

La circolazione sanguigna nell’organismo umano sfrutta un meccanismo ad hoc per trasportare gli scarti e tutte le sostanze necessarie al metabolismo cellulare. Il cuore rappresenta la pompa che dà al sangue la spinta per scorrere nei vasi e il ventricolo sinistro è la cavità cardiaca che contribuisce di più allo svolgimento di questo lavoro. Il modello pulsatile utilizzato in questo elaborato per la circolazione sistemica deriva dalla semplificazione di un modello a parametri concentrati precedentemente pubblicato. Nell’analogo elettrico di questo modello sono state incluse la resistenza al ritorno venoso, la resistenza al deflusso aortico e la resistenza arteriolare sistemica. Inoltre, la funzione di pompa del ventricolo è definita dalla complianza ventricolare tempo-variante e dal suo inverso, l’elastanza. Le valvole ventricolari sono simulate da due diodi e le capacità venose e arteriose tengono conto del comportamento elastico dei rispettivi compartimenti. Considerando il lavoro delle valvole, il ciclo cardiaco è stato suddiviso in sette intervalli temporali, per ciascuno dei quali è stato disegnato un analogo elettrico che descrive il comportamento degli elementi circuitali in quello specifico intervallo temporale. Attraverso l’applicazione delle leggi di Kirchoff agli analoghi elettrici sopra citati si scrivono le equazioni differenziali nelle funzioni incognite carica elettrica sulla complianza ventricolare e tensione arteriosa. Per ottenere le espressioni analitiche della soluzione delle equazioni differenziali si approssima l’elastanza con una funzione lineare a tratti e si utilizzano i teoremi per la risoluzione delle equazioni differenziali di ordine uno non omogenee. Le espressioni analitiche vengono implementate su Matlab, che consente di ottenere dei grafici della pressione venosa, arteriosa e ventricolare, dell’elastanza, del volume ventricolare e della portata aortica anche in risposta ad una diminuzione della resistenza arteriolare sistemica.

La sicurezza alimentare nel latte crudo: la problematica Bacillus cereus

La crescente richiesta di sicurezza negli alimenti di origine animale, inclusa la filiera lattiero casearia ha spinto gli operatori del settore a porre maggiore attenzione ad un sempre più elevato numero di batteri patogeni. Negli ultimi si è posta l’attenzione, in modo crescente, sul monitoraggio del Bacillus cereus, per il quale lo stesso Reg. 2073/2005 ha definito criteri igienici di processo nel latte in polvere. Il presente studio si è pertanto focalizzato sul monitoraggio delle caratteristiche igienico sanitarie di diverse tipologie di latte crudo (BIO, BIO Fieno, Tracciato, Alta Qualità e Alta Qualità NO OGM), includendo il controllo del Bacillus cereus. In particolare oltre alla detection ed identificazione del Bacillus cereus si sono valutati diversi parametri quali pH, cellule somatiche, Conta Batterica Totale (CBT), Enterobacteriaceae, E. coli, Staphylococchi coagulasi positivi, Salmonella e Listeria monocytogenes. I risultati ottenuti hanno confermato ottimali condizioni igieniche in tutte le tipologie di latte con una media geometrica della Carica batterica totale pari a 13553 ufc/ml valore nettamente inferiore rispetto al limite stabilito dal Reg. 853/2004). L’assenza di Salmonella in tutti i campioni testati ed una positività solo alla detection per Listeria moncytogenes in 2/46 campioni testati dimostrano ottimali garanzie di sicurezza alimentare. Relativamente alla positività per Bacillus cereus il 23.9% dei campioni analizzati sono risultati positivi (dopo conferma in PCR). In conclusione si può affermare che l’azienda fornitrice dei campioni di latte alimentare applichi buone pratiche di igiene e di processo nelle fasi antecedenti la trasformazione del latte, nel rispetto delle normative di riferimento sia in ambito igienico che di sicurezza alimentare.