Analysis and design of power management scheme for an on-board solar energy storage system

This paper investigates the power management issues in a mobile solar energy storage system. A multi-converter based energy storage system is proposed, in which solar power is the primary source while the grid or the diesel generator is selected as the secondary source. The existence of the secondary source facilitates the battery state of charge detection by providing a constant battery charging current. Converter modeling, multi-converter control system design, digital implementation and experimental verification are introduced and discussed in details. The prototype experiment indicates that the converter system can provide a constant charging current during solar converter maximum power tracking operation, especially during large solar power output variation, which proves the feasibility of the proposed design. © 2014 IEEE.

Nanotechnology and microfluidics:formulation design and on-chip manufacture of nanoparticles

Nanoparticles offer an ideal platform for the delivery of small molecule drugs, subunit vaccines and genetic constructs. Besides the necessity of a homogenous size distribution, defined loading efficiencies and reasonable production and development costs, one of the major bottlenecks in translating nanoparticles into clinical application is the need for rapid, robust and reproducible development techniques. Within this thesis, microfluidic methods were investigated for the manufacturing, drug or protein loading and purification of pharmaceutically relevant nanoparticles. Initially, methods to prepare small liposomes were evaluated and compared to a microfluidics-directed nanoprecipitation method. To support the implementation of statistical process control, design of experiment models aided the process robustness and validation for the methods investigated and gave an initial overview of the size ranges obtainable in each method whilst evaluating advantages and disadvantages of each method. The lab-on-a-chip system resulted in a high-throughput vesicle manufacturing, enabling a rapid process and a high degree of process control. To further investigate this method, cationic low transition temperature lipids, cationic bola-amphiphiles with delocalized charge centers, neutral lipids and polymers were used in the microfluidics-directed nanoprecipitation method to formulate vesicles. Whereas the total flow rate (TFR) and the ratio of solvent to aqueous stream (flow rate ratio, FRR) was shown to be influential for controlling the vesicle size in high transition temperature lipids, the factor FRR was found the most influential factor controlling the size of vesicles consisting of low transition temperature lipids and polymer-based nanoparticles. The biological activity of the resulting constructs was confirmed by an invitro transfection of pDNA constructs using cationic nanoprecipitated vesicles. Design of experiments and multivariate data analysis revealed the mathematical relationship and significance of the factors TFR and FRR in the microfluidics process to the liposome size, polydispersity and transfection efficiency. Multivariate tools were used to cluster and predict specific in-vivo immune responses dependent on key liposome adjuvant characteristics upon delivery a tuberculosis antigen in a vaccine candidate. The addition of a low solubility model drug (propofol) in the nanoprecipitation method resulted in a significantly higher solubilisation of the drug within the liposomal bilayer, compared to the control method. The microfluidics method underwent scale-up work by increasing the channel diameter and parallelisation of the mixers in a planar way, resulting in an overall 40-fold increase in throughput. Furthermore, microfluidic tools were developed based on a microfluidics-directed tangential flow filtration, which allowed for a continuous manufacturing, purification and concentration of liposomal drug products.

Biologically Inspired Design of Protein-Silica Hybrid Nanoparticles for Drug Delivery Applications

The design and application of effective drug carriers is a fundamental concern in the delivery of therapeutics for the treatment of cancer and other vexing health problems. Traditionally utilized chemotherapeutics are limited in efficacy due to poor bioavailability as a result of their size and solubility as well as significant deleterious effects to healthy tissue through their inability to preferentially target pathological cells and tissues, especially in treatment of cancer. Thus, a major effort in the development of nanoscopic drug delivery vehicles for cancer treatment has focused on exploiting the inherent differences in tumor physiology and limiting the exposure of drugs to non-tumorous tissue, which is commonly achieved by encapsulation of chemotherapeutics within macromolecular or supramolecular carriers that incorporate targeting ligands and that enable controlled release. The overall aim of this work is to engineer a hybrid nanomaterial system comprised of protein and silica and to characterize its potential as an encapsulating drug carrier. The synthesis of silica, an attractive nanomaterial component because it is both biocompatible as well as structurally and chemically stable, within this system is catalyzed by self-assembled elastin-like polypeptide (ELP) micelles that incorporate of a class of biologically-inspired, silica-promoting peptides, silaffins. Furthermore, this methodology produces near-monodisperse, hybrid inorganic/micellar materials under mild reaction conditions such as temperature, pH and solvent. This work studies this material system along three avenues: 1) proof-of-concept silicification (i.e. the formation and deposition of silica upon organic materials) of ELP micellar templates, 2) encapsulation and pH-triggered release of small, hydrophobic chemotherapeutics, and 3) selective silicification of templates to potentiate retention of peptide targeting ability.

DESIGN OF A MINIATURIZED SOP INTEGRATED GNSS RF FRONT-END MODULE

Navigation devices used to be bulky and expensive and were not widely commercialized for personal use. Nowadays, all useful electronic devices are turning into being handheld so that they can be conveniently used anytime and anywhere. One can claim that almost any mobile phone, used today, has quite strong navigational capabilities that can efficiently work anywhere in the globe. No matter where you are, you can easily know your exact location and make your way smoothly to wherever you would like to go. This couldn’t have been made possible without the existence of efficient and small microwave circuits responsible for the transmission and reception of high quality navigation signals. This thesis is mainly concerned with the design of novel highly miniaturized and efficient filtering components working in the Global Navigational Satellite Systems (GNSS) frequency band to be integrated within an efficient Radio Frequency (RF) front-end module (FEM). A System-on-Package (SoP) integration technique is adopted for the design of all the components in this thesis. Two novel miniaturized filters are designed, where one of them is a wideband filter targeting the complete GNSS band with a fractional bandwidth of almost 50% at a center frequency of 1.385 GHz. This filter utilizes a direct inductive coupling topology to achieve the required wide band performance. It also has very good out-of-band rejection and low IL. Whereas the other dual band filter will only cover the lower and upper GNSS bands with a rejection notch in between the two bands. It has very good inter band rejection. The well-known “divide and conquer” design methodology was applied for the design of this filter to help save valuable design and optimization time. Moreover, the performance of two commercially available ultra-Low Noise Amplifiers (LNAs) is studied. The complete RF FEM showed promising preliminary performance in terms of noise figure, gain and bandwidth, where it out performed other commercial front-ends in these three aspects. All the designed circuits are fabricated and tested. The measured results are found to be in good agreements with the simulations.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Integrating functional connectivity and climate change in the design of protected area networks

Le rapide déclin actuel de la biodiversité est inquiétant et les activités humaines en sont la cause directe. De nombreuses aires protégées ont été mises en place pour contrer cette perte de biodiversité. Afin de maximiser leur efficacité, l’amélioration de la connectivité fonctionnelle entre elles est requise. Les changements climatiques perturbent actuellement les conditions environnementales de façon globale. C’est une menace pour la biodiversité qui n’a pas souvent été intégrée lors de la mise en place des aires protégées, jusqu’à récemment. Le mouvement des espèces, et donc la connectivité fonctionnelle du paysage, est impacté par les changements climatiques et des études ont montré qu’améliorer la connectivité fonctionnelle entre les aires protégées aiderait les espèces à faire face aux impacts des changements climatiques. Ma thèse présente une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées tout en tenant compte des changements climatiques et de la connectivité fonctionnelle. Mon aire d’étude est la région de la Gaspésie au Québec (Canada). La population en voie de disparition de caribou de la Gaspésie-Atlantique (Rangifer tarandus caribou) a été utilisée comme espèce focale pour définir la connectivité fonctionnelle. Cette petite population subit un déclin continu dû à la prédation et la modification de son habitat, et les changements climatiques pourraient devenir une menace supplémentaire. J’ai d’abord construit un modèle individu-centré spatialement explicite pour expliquer et simuler le mouvement du caribou. J’ai utilisé les données VHF éparses de la population de caribou et une stratégie de modélisation patron-orienté pour paramétrer et sélectionner la meilleure hypothèse de mouvement. Mon meilleur modèle a reproduit la plupart des patrons de mouvement définis avec les données observées. Ce modèle fournit une meilleure compréhension des moteurs du mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi qu’une estimation spatiale de son utilisation du paysage dans la région. J’ai conclu que les données éparses étaient suffisantes pour ajuster un modèle individu-centré lorsqu’utilisé avec une modélisation patron-orienté. Ensuite, j’ai estimé l’impact des changements climatiques et de différentes actions de conservation sur le potentiel de mouvement du caribou. J’ai utilisé le modèle individu-centré pour simuler le mouvement du caribou dans des paysages hypothétiques représentant différents scénarios de changements climatiques et d’actions de conservation. Les actions de conservation représentaient la mise en place de nouvelles aires protégées en Gaspésie, comme définies par le scénario proposé par le gouvernement du Québec, ainsi que la restauration de routes secondaires à l’intérieur des aires protégées. Les impacts des changements climatiques sur la végétation, comme définis dans mes scénarios, ont réduit le potentiel de mouvement du caribou. La restauration des routes était capable d’atténuer ces effets négatifs, contrairement à la mise en place des nouvelles aires protégées. Enfin, j’ai présenté une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées efficaces et j’ai proposé des nouvelles aires protégées à mettre en place en Gaspésie afin de protéger la biodiversité sur le long terme. J’ai créé de nombreux scénarios de réseaux d’aires protégées en étendant le réseau actuel pour protéger 12% du territoire. J’ai calculé la représentativité écologique et deux mesures de connectivité fonctionnelle sur le long terme pour chaque réseau. Les mesures de connectivité fonctionnelle représentaient l’accès général aux aires protégées pour le caribou de la Gaspésie-Atlantique ainsi que son potentiel de mouvement à l’intérieur. J’ai utilisé les estimations de potentiel de mouvement pour la période de temps actuelle ainsi que pour le futur sous différents scénarios de changements climatiques pour représenter la connectivité fonctionnelle sur le long terme. Le réseau d’aires protégées que j’ai proposé était le scénario qui maximisait le compromis entre les trois caractéristiques de réseau calculées. Dans cette thèse, j’ai expliqué et prédit le mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique sous différentes conditions environnementales, notamment des paysages impactés par les changements climatiques. Ces résultats m’ont aidée à définir un réseau d’aires protégées à mettre en place en Gaspésie pour protéger le caribou au cours du temps. Je crois que cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur le comportement de mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi que sur les actions de conservation qui peuvent être prises en Gaspésie afin d’améliorer la protection du caribou et de celle d’autres espèces. Je crois que la méthode présentée peut être applicable à d’autres écosystèmes aux caractéristiques et besoins similaires.

A Study on the liquefaction risk in seismic design of foundations

A fully coupled non-linear effective stress response finite difference (FD) model is built to survey the counter-intuitive recent findings on the reliance of pore water pressure ratio on foundation contact pressure. Two alternative design scenarios for a benchmark problem are explored and contrasted in the light of construction emission rates using the EFFC-DFI methodology. A strain-hardening effective stress plasticity model is adopted to simulate the dynamic loading. A combination of input motions, contact pressure, initial vertical total pressure and distance to foundation centreline are employed, as model variables, to further investigate the control of permanent and variable actions on the residual pore pressure ratio. The model is verified against the Ghosh and Madabhushi high acceleration field test database. The outputs of this work is aimed to improve the current computer-aided seismic foundation design that relies on ground’s packing state and consistency. The results confirm that on seismic excitation of shallow foundations, the likelihood of effective stress loss is greater in deeper depths and across free field. For the benchmark problem, adopting a shallow foundation system instead of piled foundation benefitted in a 75% less emission rate, a marked proportion of which is owed to reduced materials and haulage carbon cost.

Towards a performance based design of shear walls based on damage criteria = Vers un dimensionnement performanciel des murs de refend basé sur des critères d'endommagement

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe.

Multiscale morphology design of hybrid halide perovskites through a polymeric template

Hybrid halide perovskites have emerged as promising active constituents of next generation solution processable optoelectronic devices. During their assembling process, perovskite components undergo very complex dynamic equilibria starting in solution and progressing throughout film formation. Finding a methodology to control and affect these equilibria, responsible for the unique morphological diversity observed in perovskite films, constitutes a fundamental step towards a reproducible material processability. Here we propose the exploitation of polymer matrices as cooperative assembling components of novel perovskite CH3NH3PbI3 : polymer composites, in which the control of the chemical interactions in solution allows a predictable tuning of the final film morphology. We reveal that the nature of the interactions between perovskite precursors and polymer functional groups, probed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Dynamic Light Scattering (DLS) techniques, allows the control of aggregates in solution whose characteristics are strictly maintained in the solid film, and permits the formation of nanostructures that are inaccessible to conventional perovskite depositions. These results demonstrate how the fundamental chemistry of perovskite precursors in solution has a paramount influence on controlling and monitoring the final morphology of CH3NH3PbI3 (MAPbI3) thin films, foreseeing the possibility of designing perovskite : polymer composites targeting diverse optoelectronic applications.

Optimization of the Ion Source-Mass Spectrometry Parameters in Non-Steroidal Anti-Inflammatory and Analgesic Pharmaceuticals Analysis by a Design of Experiments Approach

The flow rates of drying and nebulizing gas, heat block and desolvation line temperatures and interface voltage are potential electrospray ionization parameters as they may enhance sensitivity of the mass spectrometer. The conditions that give higher sensitivity of 13 pharmaceuticals were explored. First, Plackett-Burman design was implemented to screen significant factors, and it was concluded that interface voltage and nebulizing gas flow were the only factors that influence the intensity signal for all pharmaceuticals. This fractionated factorial design was projected to set a full 2(2) factorial design with center points. The lack-of-fit test proved to be significant. Then, a central composite face-centered design was conducted. Finally, a stepwise multiple linear regression and subsequently an optimization problem solving were carried out. Two main drug clusters were found concerning the signal intensities of all runs of the augmented factorial design. p-Aminophenol, salicylic acid, and nimesulide constitute one cluster as a result of showing much higher sensitivity than the remaining drugs. The other cluster is more homogeneous with some sub-clusters comprising one pharmaceutical and its respective metabolite. It was observed that instrumental signal increased when both significant factors increased with maximum signal occurring when both codified factors are set at level +1. It was also found that, for most of the pharmaceuticals, interface voltage influences the intensity of the instrument more than the nebulizing gas flowrate. The only exceptions refer to nimesulide where the relative importance of the factors is reversed and still salicylic acid where both factors equally influence the instrumental signal. Graphical Abstract ᅟ.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Mesoscale Optoelectronic Design of Wire-Based Photovoltaic and Photoelectrochemical Devices

The overarching theme of this thesis is mesoscale optical and optoelectronic design of photovoltaic and photoelectrochemical devices. In a photovoltaic device, light absorption and charge carrier transport are coupled together on the mesoscale, and in a photoelectrochemical device, light absorption, charge carrier transport, catalysis, and solution species transport are all coupled together on the mesoscale. The work discussed herein demonstrates that simulation-based mesoscale optical and optoelectronic modeling can lead to detailed understanding of the operation and performance of these complex mesostructured devices, serve as a powerful tool for device optimization, and efficiently guide device design and experimental fabrication efforts. In-depth studies of two mesoscale wire-based device designs illustrate these principles—(i) an optoelectronic study of a tandem Si|WO3 microwire photoelectrochemical device, and (ii) an optical study of III-V nanowire arrays.

The study of the monolithic, tandem, Si|WO3 microwire photoelectrochemical device begins with development and validation of an optoelectronic model with experiment. This study capitalizes on synergy between experiment and simulation to demonstrate the model’s predictive power for extractable device voltage and light-limited current density. The developed model is then used to understand the limiting factors of the device and optimize its optoelectronic performance. The results of this work reveal that high fidelity modeling can facilitate unequivocal identification of limiting phenomena, such as parasitic absorption via excitation of a surface plasmon-polariton mode, and quick design optimization, achieving over a 300% enhancement in optoelectronic performance over a nominal design for this device architecture, which would be time-consuming and challenging to do via experiment.

The work on III-V nanowire arrays also starts as a collaboration of experiment and simulation aimed at gaining understanding of unprecedented, experimentally observed absorption enhancements in sparse arrays of vertically-oriented GaAs nanowires. To explain this resonant absorption in periodic arrays of high index semiconductor nanowires, a unified framework that combines a leaky waveguide theory perspective and that of photonic crystals supporting Bloch modes is developed in the context of silicon, using both analytic theory and electromagnetic simulations. This detailed theoretical understanding is then applied to a simulation-based optimization of light absorption in sparse arrays of GaAs nanowires. Near-unity absorption in sparse, 5% fill fraction arrays is demonstrated via tapering of nanowires and multiple wire radii in a single array. Finally, experimental efforts are presented towards fabrication of the optimized array geometries. A hybrid self-catalyzed and selective area MOCVD growth method is used to establish morphology control of GaP nanowire arrays. Similarly, morphology and pattern control of nanowires is demonstrated with ICP-RIE of InP. Optical characterization of the InP nanowire arrays gives proof of principle that tapering and multiple wire radii can lead to near-unity absorption in sparse arrays of InP nanowires.

Design of bicycling suitability maps for hilly cities

Post-print version. Pictures and tables separated from main text and presented at the end.

Trajectory design of a multiple flyby mission to asteroids

In designing the trajectory for a multiple flyby mission to asteroids the choice of the targets is the most challenging problem. This dissertation faces this problem in the framework of the recently issued medium-size mission call (M5) from ESA: CASTAway. Starting from the preliminary work done in [6], this thesis develops a methodology for sequencing the potential targets in a multiple flyby mission. In order to reduce the computational time, the complete database of known small bodies is firstly pruned on the base of heuristic considerations. Using the assumption of small manoeuvres, a chief orbit concept could be used. Thus, two heuristic thresholds are defined in order to exclude non-promising targets given a chief orbit. The sequencing process takes chief orbit and promising targets as inputs and gives a set of candidate sequences. The results of such a process are analysed in the CASTAway framework and the best feasible sequence studied in details.

Design of products to honor people post mortem

The cemeterial units, are places of social practices of everyday life and worship and the tomb where nostalgia can be externalized and the memory of the deceased revered. In Western societies we can find a category of artifacts meant to evoke the memory or honor the dead. In this paper we we mention three examples of products that enabled a reflection on the concepts that gave rise to their ways, and that risks to fit them into a new "material culture", in that it may have created a break with the traditional system codes and standards shared by companies, and its manifestations in relation to the physical creation of this category of products. This work offers a reflection on the Design Products.What probably makes it special is the field where it is located: the design of products in one post mortem memory. Usually made of granite rock or marble, have the form of plate or tablet, open book or rolled sheet. On one side have a photograph of the person who intend to honor and inscriptions. The thought of inherent design of this work put on one side the intricate set of emotions that this type of product can generate, and other components more affordable, and concerning the form, function and object interactions with users and with use environments. In the definition of the problem it was regarded as mandatory requirements: differentiation, added value and durability as key objectives.The first two should be manifested in the various components / product attributes. The aesthetic and material/structural durability of product necessarily imply the introduction of qualifying terms and quantitative weights, which positively influence the generation and evaluation of concepts based on the set of 10 principles for the project that originated a matrix as a tool to aid designing products. The concrete definition of a target audience was equally important. At this stage, the collaboration of other experts in the fields of psychology and sociology as disciplines with particular ability to understand individuals and social phenomena respectively was crucial. It was concluded that a product design to honor someone post mortem, should abandon the more traditional habits and customs to focus on identifying new audiences. Although at present it can be considered a niche market, it is believed that in the future may grow as well as their interest in this type of products.