Evaluation of Two Alternative Carbon Capture and Storage Technologies: A Stochastic Model

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High-strain composites and dual-matrix composite structures

Most space applications require deployable structures due to the limiting size of current launch vehicles. Specifically, payloads in nanosatellites such as CubeSats require very high compaction ratios due to the very limited space available in this typo of platform. Strain-energy-storing deployable structures can be suitable for these applications, but the curvature to which these structures can be folded is limited to the elastic range. Thanks to fiber microbuckling, high-strain composite materials can be folded into much higher curvatures without showing significant damage, which makes them suitable for very high compaction deployable structure applications. However, in applications that require carrying loads in compression, fiber microbuckling also dominates the strength of the material. A good understanding of the strength in compression of high-strain composites is then needed to determine how suitable they are for this type of application.

The goal of this thesis is to investigate, experimentally and numerically, the microbuckling in compression of high-strain composites. Particularly, the behavior in compression of unidirectional carbon fiber reinforced silicone rods (CFRS) is studied. Experimental testing of the compression failure of CFRS rods showed a higher strength in compression than the strength estimated by analytical models, which is unusual in standard polymer composites. This effect, first discovered in the present research, was attributed to the variation in random carbon fiber angles respect to the nominal direction. This is an important effect, as it implies that microbuckling strength might be increased by controlling the fiber angles. With a higher microbuckling strength, high-strain materials could carry loads in compression without reaching microbuckling and therefore be suitable for several space applications.

A finite element model was developed to predict the homogenized stiffness of the CFRS, and the homogenization results were used in another finite element model that simulated a homogenized rod under axial compression. A statistical representation of the fiber angles was implemented in the model. The presence of fiber angles increased the longitudinal shear stiffness of the material, resulting in a higher strength in compression. The simulations showed a large increase of the strength in compression for lower values of the standard deviation of the fiber angle, and a slight decrease of strength in compression for lower values of the mean fiber angle. The strength observed in the experiments was achieved with the minimum local angle standard deviation observed in the CFRS rods, whereas the shear stiffness measured in torsion tests was achieved with the overall fiber angle distribution observed in the CFRS rods.

High strain composites exhibit good bending capabilities, but they tend to be soft out-of-plane. To achieve a higher out-of-plane stiffness, the concept of dual-matrix composites is introduced. Dual-matrix composites are foldable composites which are soft in the crease regions and stiff elsewhere. Previous attempts to fabricate continuous dual-matrix fiber composite shells had limited performance due to excessive resin flow and matrix mixing. An alternative method, presented in this thesis uses UV-cure silicone and fiberglass to avoid these problems. Preliminary experiments on the effect of folding on the out-of-plane stiffness are presented. An application to a conical log-periodic antenna for CubeSats is proposed, using origami-inspired stowing schemes, that allow a conical dual-matrix composite shell to reach very high compaction ratios.

The lakes of Michoacan (Mexico): A brief history and alternative point of view

This article is intended to open a discussion about the historical development of lakes Zirahuen, Patzcuaro and Cuitzeo in the state of Michoacan, and the postulated relationships between lake ecology and evolution. Dr Fernando De Buen was the first man dedicated to limnology in Mexico who came to the country in the 1930s. He was adviser at the Estacion Limnologica de Patzcuaro and wrote outstanding papers dealing with Mexican lakes. The lakes of Michoacan probably formed in the late Pliocene or Holocene, and were part of a tributary to the Lerma River, which became isolated by successive volanic barriers to form lake basins. Lake Zirahuen is a warm monomictic waterbody with unique water dynamics amongst the Michoacan lakes. Because it is relatively deep (max depth 40m), seasonal patterns of alternating circulation and thermal stratification develop in the lake, a feature not shared by the other two polymictic shallow lakes, Patzcuaro and Cuitzeo.

Aplicaciones de las tecnologías de fabricación aditiva en la industria actual

[ES]En el ámbito industrial actual, la fabricación aditiva supone una alternativa para dar respuesta a las nuevas necesidades del mercado, que no pueden verse resueltas mediante las técnicas de fabricación clásicas. La fabricación aditiva (AM Adittive Manufacturing) representa un cambio en métodos y procesos industriales, permitiendo llevar a cabo piezas antes imposibles de realizar. Tiene sus principales aplicaciones en el sector médico, aeronáutico o el sector de la automoción. Se dan numerosas técnicas clasificadas por diferentes criterios, como el medio a través del cual se aporta la energía. Presenta numerosas ventajas como la complejidad en la geometría de las piezas que se pueden fabricar, a pesar de que aún no está totalmente desarrollada y presenta limitaciones como el coste de material. Todo el diseño parte de las tecnologías CAD/CAM 3D, y se fabrica ya en una amplia variedad de materiales, tanto metálicos como plásticos. Aún bajo poca normativa, se espera que en las próximas décadas esta tecnología desarrolle todo su potencial y sea de uso habitual en los sectores propicios para su explotación.

First principles based multiparadigm modeling of electronic structures and dynamics

Electronic structures and dynamics are the key to linking the material composition and structure to functionality and performance.

An essential issue in developing semiconductor devices for photovoltaics is to design materials with optimal band gaps and relative positioning of band levels. Approximate DFT methods have been justified to predict band gaps from KS/GKS eigenvalues, but the accuracy is decisively dependent on the choice of XC functionals. We show here for CuInSe₂ and CuGaSe₂, the parent compounds of the promising CIGS solar cells, conventional LDA and GGA obtain gaps of 0.0-0.01 and 0.02-0.24 eV (versus experimental values of 1.04 and 1.67 eV), while the historically first global hybrid functional, B3PW91, is surprisingly the best, with band gaps of 1.07 and 1.58 eV. Furthermore, we show that for 27 related binary and ternary semiconductors, B3PW91 predicts gaps with a MAD of only 0.09 eV, which is substantially better than all modern hybrid functionals, including B3LYP (MAD of 0.19 eV) and screened hybrid functional HSE06 (MAD of 0.18 eV).

The laboratory performance of CIGS solar cells (> 20% efficiency) makes them promising candidate photovoltaic devices. However, there remains little understanding of how defects at the CIGS/CdS interface affect the band offsets and interfacial energies, and hence the performance of manufactured devices. To determine these relationships, we use the B3PW91 hybrid functional of DFT with the AEP method that we validate to provide very accurate descriptions of both band gaps and band offsets. This confirms the weak dependence of band offsets on surface orientation observed experimentally. We predict that the CBO of perfect CuInSe₂/CdS interface is large, 0.79 eV, which would dramatically degrade performance. Moreover we show that band gap widening induced by Ga adjusts only the VBO, and we find that Cd impurities do not significantly affect the CBO. Thus we show that Cu vacancies at the interface play the key role in enabling the tunability of CBO. We predict that Na further improves the CBO through electrostatically elevating the valence levels to decrease the CBO, explaining the observed essential role of Na for high performance. Moreover we find that K leads to a dramatic decrease in the CBO to 0.05 eV, much better than Na. We suggest that the efficiency of CIGS devices might be improved substantially by tuning the ratio of Na to K, with the improved phase stability of Na balancing phase instability from K. All these defects reduce interfacial stability slightly, but not significantly.

A number of exotic structures have been formed through high pressure chemistry, but applications have been hindered by difficulties in recovering the high pressure phase to ambient conditions (i.e., one atmosphere and room temperature). Here we use dispersion-corrected DFT (PBE-ulg flavor) to predict that above 60 GPa the most stable form of N₂O (the laughing gas in its molecular form) is a 1D polymer with an all-nitrogen backbone analogous to cis-polyacetylene in which alternate N are bonded (ionic covalent) to O. The analogous trans-polymer is only 0.03-0.10 eV/molecular unit less stable. Upon relaxation to ambient conditions both polymers relax below 14 GPa to the same stable non-planar trans-polymer, accompanied by possible electronic structure transitions. The predicted phonon spectrum and dissociation kinetics validate the stability of this trans-poly-NNO at ambient conditions, which has potential applications as a new type of conducting polymer with all-nitrogen chains and as a high-energy oxidizer for rocket propulsion. This work illustrates in silico materials discovery particularly in the realm of extreme conditions.

Modeling non-adiabatic electron dynamics has been a long-standing challenge for computational chemistry and materials science, and the eFF method presents a cost-efficient alternative. However, due to the deficiency of FSG representation, eFF is limited to low-Z elements with electrons of predominant s-character. To overcome this, we introduce a formal set of ECP extensions that enable accurate description of p-block elements. The extensions consist of a model representing the core electrons with the nucleus as a single pseudo particle represented by FSG, interacting with valence electrons through ECPs. We demonstrate and validate the ECP extensions for complex bonding structures, geometries, and energetics of systems with p-block character (C, O, Al, Si) and apply them to study materials under extreme mechanical loading conditions.

Despite its success, the eFF framework has some limitations, originated from both the design of Pauli potentials and the FSG representation. To overcome these, we develop a new framework of two-level hierarchy that is a more rigorous and accurate successor to the eFF method. The fundamental level, GHA-QM, is based on a new set of Pauli potentials that renders exact QM level of accuracy for any FSG represented electron systems. To achieve this, we start with using exactly derived energy expressions for the same spin electron pair, and fitting a simple functional form, inspired by DFT, against open singlet electron pair curves (H₂ systems). Symmetric and asymmetric scaling factors are then introduced at this level to recover the QM total energies of multiple electron pair systems from the sum of local interactions. To complement the imperfect FSG representation, the AMPERE extension is implemented, and aims at embedding the interactions associated with both the cusp condition and explicit nodal structures. The whole GHA-QM+AMPERE framework is tested on H element, and the preliminary results are promising.

Desenvolvimento de material compósito polimérico para utilização na confecção de troquéis

Na Odontologia, ao se confeccionar peças restauradoras dentárias, pela técnica indireta, o processo mais rotineiramente empregado utiliza um modelo de gesso, obtido a partir de um molde de elastômero, tomado de um dente preparado. Vários fatores podem influenciar na boa precisão de ajustes destas peças como o escoamento do material de vazamento dentro da moldagem, a compatibilidade do material de vazamento com o da moldagem, o tempo de presa, a estabilidade dimensional, a resistência mecânica do material quando da separação moldagem/modelo, a resistência a abrasão e a fidelidade de reprodução de detalhes. Materiais foram introduzidos na odontologia para utilização na confecção de troquéis no intuito de minimizar as desvantagens do gesso, como baixa resistência a abrasão e ligeira expansão de presa. Dentre eles os troquéis metalizados e as resinas epóxicas, que tem vantagens em relação às propriedades mecânicas, porém o primeiro exige técnica demorada e de alto custo e o segundo apresenta contração. O presente trabalho se propõe a testar uma nova composição de poliéster insaturado com estireno adicionado ao carbonato de cálcio em diferentes proporções (10, 20, 30, 40, 50, 60 e 70%) e compará-la ao gesso tipo IV e a resina epoxídica com óxido de alumínio, através de ensaios mecânicos, de abrasão e de alteração dimensional, para avaliar a possibilidade de sua utilização como material de confecção de troquéis para a construção de restaurações indiretas. Para caracterização dos materiais foram feitas análises de espectrometria no infravermelho, Calorimetria de varredura diferencial, termogravimétrica e Microscopia eletrônica de varredura. O compósito a base de poliéster insaturado com 50% de carbonato de cálcio se mostrou viável para utilização como material para troquel. Quando comparado aos materiais de controle mostrou propriedades mecânicas próximas as da resina epoxídica e bem superiores ao gesso, resistência a abrasão superior ao gesso e inferior a resina epoxídica e alteração dimensional próxima a resina epoxídica e maior ao gesso. Sendo a formulação do poliéster/carbonato de cálcio apenas constituída de polímero, catalisador e carga, é possível melhorar a formulação modificando a carga e/ou acrescentando aditivos visando minimizar a contração de polimerização.

A Previdência Social no estado contemporâneo Fundamentos, financiamento e regulação

A previdência social brasileira, apesar de constituir um dos modelos mais antigos e tradicionais de proteção social da América Latina, não muito distante dos modelos europeus quanto a sua gênese, passa por momentos difíceis. Em um contexto de rápido envelhecimento populacional, acelerada redução de natalidade e novas realidades de trabalho, nas quais a mão-de-obra assalariada perde seu espaço, o modelo tradicional de cobertura, nos moldes bismarckianos, carece de revisão, de forma a não somente adequar-se às novas premissas demográficas, mas permitir uma universalidade de cobertura efetiva. Para tanto, adota-se, como fundamento de um novo modelo, a justiça social em três dimensões necessidade, igualdade e mérito. A necessidade visa atender e assegurar a qualquer pessoa, dentro das necessidades sociais cobertas, um pagamento mínimo de forma a assegurar o mínimo existencial. A dimensão da igualdade, no viés material, visa preservar nível de bem-estar compatível, em alguma medida, com o usufruído durante a vida ativa. Já o mérito individual implica fornecer prestações mais elevadas aos que, conscientemente, reduziram o consumo presente, preservando parte de suas receitas para o futuro. As duas primeiras dimensões são, na proposta apresentada, organizadas pelo Estado, em pilares compulsórios e financiados, preponderantemente, por repartição simples. O modelo de financiamento adotado, no longo prazo, tem se mostrado mais seguro e isonômico frente a modelos capitalizados. As variantes demográficas podem ser adequadas mediante novos limites de idade para aposentadorias e, em especial, estímulo a natalidade, como novos serviços da previdência social, incluindo creches e pré-escolas. O terceiro pilar, fundado no mérito individual, é a previdência complementar, organizado de forma privada, autônoma e voluntária. Aqui, o financiamento sugerido é a capitalização, de forma a priorizar o rendimento e a eficiência, com as externalidades positivas para a economia e a sociedade, com risco assumido e aceitável em razão do papel subsidiário deste pilar protetivo. Os pilares estatais, no modelo proposto, serão financiados, exclusivamente, por impostos, pondo-se fim às contribuições sociais, que perdem a importância em um modelo universal de proteção. Troca-se a solidariedade do grupo pela solidariedade social e, como conseqüência, saem as contribuições e ingressam os impostos. Mesmo o segundo pilar, que visa prestações correlacionadas com os rendimentos em atividade, será financiado por adicional de imposto de renda. Sistema mais simples, eficaz, e com estímulo à formalização da receita por parte das pessoas. A gestão do modelo previdenciário, em todos os segmentos, contará com forte regulação estatal, mas com efetiva participação dos interessados, afastadas, dentro do possível, as ingerências políticas e formas de captura. A regulação previdenciária, desde adequadamente disciplinada e executada, permitirá que os pilares propostos funcionem em harmonia.

Design of an aerial tramway

An Aerial Tramway is a device for transporting material in receptacles over wire ropes supported at various elevations above the ground by means of posts or standards. Wire rope has been known for many centuries, and there is a drawing of a ropeway appearing in a book dated 1411.

Avaliação da biodegradabilidade de compósitos à base de poliéster e amido com fibra de coco verde

Os materiais poliméricos tem sido uma das causas dos problemas ambientais discutidos em todo mundo nos últimos tempos. Como uma das soluções para esse problema, estão os polímeros biodegradáveis que são materiais que se degradam pela ação de microorganismos. Uma Indústria sediada no Brasil lançou recentemente um poliéster biodegradável que surge boa alternativa para o crescimento no mercado dos polímeros biodegradáveis, principalmente por possuir em sua composição matéria prima de fonte renovável. Neste trabalho foram preparados compósitos com matriz de poliéster biodegradável e fibra de coco verde com e sem modificação química por acetilação em misturador interno Haake. Foi estudada a biodegradabilidade em solo simulado do polímero puro e de seus compósitos e foram avaliadas as propriedades térmicas, morfológicas e mecânicas do polímero puro e de alguns de seus compósitos. O teste de biodegradabilidade foi feito pelo enterro das amostras em solo simulado por períodos distintos, variando de duas a dezessete semanas, seguindo a Norma ASTM G 160 03. Após cada período de teste, as amostras foram retiradas do solo e analisadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial de varredura (DSC), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e análise mecânica de tração. Os resultados obtidos indicaram que tanto o polímero puro quanto os seus compósitos sofreram biodegradação, a presença da fibra apenas atrasa o processo de biodegradação, as fibras de coco tiveram uma boa afinidade com a matriz polimérica, a incorporação de 5% fibra de coco na matriz torna o compósito mais rígido e a incorporação da fibra e o processo de biodegradação alteram as características da fase cristalina no material polimérico.

An alternative management strategy for Lake Victoria (Kenya)

In Kenya, fisheries resource management has been based on the top-down centralized approach since the colonial days. Stakeholders have never been consulted concerning management decisions. The 4-beaches Study was undertaken to investigate the potential for an alternative management system for Lake Victoria.

Distribuição de tensões em próteses parciais fixas posteriores livres de metal com retentores intracoronários: análise em elementos finitos

Para reabilitar a ausência de um elemento dentário posterior, as próteses parciais fixas (PPF) com retentores intracoronários são uma alternativa aos implantes osseointegrados. O objetivo deste estudo foi avaliar a distribuição de tensões nessas próteses com três combinações de materiais: cerâmica de zircônia parcialmente estabilizada por ítria (ZPEI) revestida por cerâmica de fluorapatita (α), cerâmica de dissilicato de lítio (β) ou compósito fibrorreforçado (γ). Na composição α, foram analisadas a presença ou ausência da cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais e três variações na área total da seção transversal dos conectores (4 mm de largura x 3,2, 4,2 ou 5,2 mm de altura). Em 8 modelos bidimensionais de elementos finitos, uma carga vertical de 500 N foi aplicada na fossa central do pôntico e as tensões principais máximas (tração) e mínimas (compressão) foram apontadas em MPa. Inicialmente foram avaliados os 6 modelos com PPF de ZPEI e suas variações. Os maiores valores das tensões de tração foram encontrados no terço cervical dos conectores. Quando presente nestas regiões, a cerâmica de revestimento recebeu tensões acima do limite de sua resistência à flexão. Na comparação entre os modelos sem cerâmica de revestimento na parede cervical das caixas proximais, mesmo aquele com conectores de 3,2 x 4 mm, cuja infraestrutura apresentava 2,5 x 3 mm, poderia ser recomendado para uso clínico. Altos valores de tensões de compressão foram registrados entre o terço oclusal e médio dos conectores, correspondente à união entre as cerâmicas, o que poderia ocasionar, devido à flexão, falhas adesivas. Posteriormente, o modelo de ZPEI com a cerâmica de fluorapatita ausente da parede cervical das caixas proximais e área total dos conectores de 4,2 x 4 mm foi comparado aos dois outros materiais com conectores de mesma área. Na PPF de dissilicato de lítio, os valores representaram uma provável violação do limite de sua resistência à flexão. A PPF de compósito fibrorreforçado apresentou tensões bem abaixo do limite de resistência à flexão de sua infraestrutura, mas, como no modelo de ZPEI, tensões compressivas se concentraram com alto valor entre o terço oclusal e médio dos conectores, local de união entre a resina composta e a infraestrutura de fibras. Os resultados mostraram que a cerâmica de dissilicato de lítio e a presença da cerâmica de fluorapatita na parede cervical das caixas proximais deveriam ser contraindicadas para a condição proposta. Parece viável uma área de conectores na infraestrutura de ZPEI com no mínimo 2,5 x 3 mm. A PPF de compósito fibrorreforçado apresenta resistência estrutural para a situação estudada, mas, como também aquelas compostas de ZPEI, aparenta ter como pontos fracos a adesão entre a infraestrutura e o material de cobertura e a própria resistência deste último.

The extent of the rearrangement of material in Neuwerk/Scharhom flat [Translation from: Hamburger Kuestenforschung 33, 1-24 [p23 only], 1975]

Investigations of the rearrangement of material in Neuwerk/Scharhom flat showed that with the exception of the western border/edge and the parts of the Elbe and Oste shores/banks which lie most seawards, the entire mudflat area is only infrequently exposed to strong hydraulic forces. Only in extreme conditions, which on average occur rarely more than once a year, would the mudflats be severely affected. This partial translation provides the summary of the original article only.

Investigations in the theory of electromagnetic scattering from expanding dielectric obstacles

An equation for the reflection which results when an expanding dielectric slab scatters normally incident plane electromagnetic waves is derived using the invariant imbedding concept. The equation is solved approximately and the character of the solution is investigated. Also, an equation for the radiation transmitted through such a slab is similarly obtained. An alternative formulation of the slab problem is presented which is applicable to the analogous problem in spherical geometry. The form of an equation for the modal reflections from a nonrelativistically expanding sphere is obtained and some salient features of the solution are described. In all cases the material is assumed to be a nondispersive, nonmagnetic dielectric whose rest frame properties are slowly varying.