Ottimizzazione di un sistema manometrico per la misura dell'assorbimento di idrogeno nei metalli

Nel presente lavoro viene descritto come è stata ottimizzata, a livello software e hardware, la procedura di controllo della pressione in uno strumento manometrico utilizzato per la misura della quantità di idrogeno assorbita e desorbita da parte di metalli. Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche dell'idrogeno che lo rendono così appetibile dal punto di vista energetico, viene esposta la teoria alla base del processo di formazione di idruri metallici. Vengono dunque descritte le due principali tecniche di caratterizzazione di questi sistemi, ovvero le cinetiche e le isoterme pressione-composizione (PCI), e il metodo di misura adottato, ovvero quello volumetrico. Successivamente si passa alla descrizione delle componenti hardware del sistema, per poi soffermarsi sull'analisi dettagliata dell'algoritmo del software implementato, spiegando i problemi affrontati e le soluzioni adottate, riportando anche alcune formule utili ricorrenti. Infine, vengono esposti i risultati ottenuti da misure di cinetiche e PCI per il sistema MgH2 (idruro di magnesio).

Apparato volumetrico per misure di assorbimento di idrogeno nei solidi

L’obiettivo che ci si pone con la presente tesi è quello di descrivere la realizzazione e il funzionamento di un apparato per l’analisi volumetrica delle proprietà di immagazzinamento di idrogeno da parte di metalli. Dopo aver presentato le motivazioni che stanno ridirezionando l’attenzione della ricerca nel campo energetico verso l’idrogeno e aver dato una breve panoramica delle tecnologie di immagazzinamento e trasporto di questo potenziale vettore di energia alternativa e pulita, viene posta al centro dell’attenzione la tecnica di immagazzinamento allo stato solido dell’idrogeno (Solid State Hydrogen Storage), della quale vengono descritti i meccanismi fisico/chimici. In seguito viene presentato il metodo di analisi volumetrica per la caratterizzazione delle proprietà di immagazzinamento di idrogeno nei metalli e viene data una descrizione delle accortezze e delle considerazioni sperimentali fatte in fase di progettazione dello strumento. In conclusione, dopo avere mostrato la procedura di analisi dei campioni utilizzando lo strumento realizzato e il suo significato, vengono mostrati alcuni risultati ottenuti su un campione di idruro di magnesio e uno di palladio.

Sviluppo di programma in LabVIEW per controllo di pressione in apparato Sievert

In questa tesi si propone un progetto software per il controllo automatico delle pressioni in apparato volumetrico, o apparato Sievert, dedicato allo studio dell'assorbimento e desorbimento di idrogeno nei metalli. Si introduce la fisica che regola la formazione degli idruri metallici, e i parametri di studio importanti per lo sviluppo di un sistema energetico basato sull'idrogeno. Particolare attenzione viene data alla misura di cinetica, la percentuale in peso di idrogeno assorbito/desorbito in funzione del tempo. Nel capitolo 2 si mostra il principio di funzionamento di un apparato Sievert e la realizzazione hardware dell'apparato: si compone di una serie di volumi calibrati, separati da valvole, a temperatura costante, tra cui la camera porta-campioni . La pressione al loro interno viene variata immettendo o aspirando idrogeno. Nel capitolo 3 è sviluppata la procedura di controllo software tramite LabVIEW, che si impone di impostare una pressione intermedia su un volume parziale, conoscendo la pressione finale, a volumi collegati, alla quale studiare il campione. Questo modo di lavoro permette di non agire direttamente sul campione con le immissioni e le aspirazioni di idrogeno. Il programma è stato provato con misure per materiali dalla cinetica molto veloce come il palladio(Pd). I risultati, nel capitolo 4, mostrano che il programma è in grado di controllare efficacemente le variazioni di pressioni e la misura di cinetica.

Cinetica e termodinamica della trasformazione metallo-idruro in nanoparticelle Mg-Ti.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico è uno dei temi, riguardanti la sostenibilità energetica, di maggior rilievo degli ultimi anni. Tuttavia ad oggi è ancora in corso la ricerca di un sistema che ne permetta un immagazzinamento efficiente. Il MgH2 costituisce un valido candidato per la produzione di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido. In questa tesi, per migliorare le proprietà cinetiche e termodinamiche di cui questo sistema, sono stati sintetizzati dei campioni nanostrutturati composti da Mg-Ti attraverso la tecnica Inert Gas Condensation. I campioni così ottenuti sono stati analizzati dal punto di vista morfologico e composizionale, mediante la microscopia elettronica a scansione, la microanalisi e la diffrazione di raggi X. Tali analisi hanno mostrato che le dimensioni delle nanoparticelle sono comprese tra i 10-30 nm e che la tecnica IGC permette una distribuzione uniforme del titanio all'interno della matrice Mg. Le misure di caratterizzazione per l'assorbimento reversibile di idrogeno sono state effettuate attraverso il metodo volumetrico, Sievert. I campioni sono stati analizzati a varie temperature (473K-573K). Cineticamente la presenza di titanio ha provocato un aumento della velocità delle cinetiche sia per i processi di desorbimento che per quelli di assorbimento ed ha contribuito ad una diminuzione consistente delle energie di attivazione di entrambi i processi rispetto a quelle note in letteratura per il composto MgH2. Dal punto di vista termodinamico, sia le pressioni di equilibrio ottenute dalle analisi PCT a diverse temperature, che l'entalpia e l'entropia di formazione risultano essere in accordo con i valori conosciuti per il sistema MgH2. All'interno di questo lavoro di tesi è inoltre presentata un'analisi preliminare di un campione analizzato con la tecnica Synchrotron Radiation-Powder X Ray Diffraction in situ, presso la facility MAX-lab (Svezia), all’interno dell’azione COST, MP1103 per la ricerca di sistemi per lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido.

Magnesium based nanoparticles for hydrogen storage

Questo lavoro riguarda la sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle basate sul magnesio per l'immagazzinamento di idrogeno. Le nanoparticelle sono state cresciute mediante Inert Gas Condensation, una tecnica aerosol in cui il materiale viene sublimato e diretto verso i substrati tramite un flusso di gas inerte, e caratterizzate attraverso microscopia elettronica e diffrazione di raggi X. Queste operazioni sono state eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna. Sono stati sintetizzati due tipi di particelle: nel primo il magnesio viene deposto direttamente sul substrato, nel secondo esso incontra un flusso di ossigeno prima di depositarsi sulla superficie. In questo modo si formano delle particelle con struttura core-shell in cui la parte interna è formata da magnesio e quella esterna dal suo ossido. La presenza di una shell consistente dovrebbe permettere, secondo il modello di deformazioni elastiche, di diminuire il valore assoluto dell'entropia di formazione dell'idruro di magnesio, condizione necessaria affinché il desorbimento di idrogeno possa avvenire in maniera più agevole rispetto a quanto non accada col materiale bulk. Tutti i campioni sono stati ricoperti di palladio, il quale favorisce la dissociazione della molecola di idrogeno. La capacità di assorbimento dell'idrogeno da parte dei campioni è stata studiata mediante idrogenografia, una tecnica ottica recentemente sviluppata in cui la quantità di gas assorbita dal materiale è legata alla variazione di trasmittanza ottica dello stesso. Le misure sono state eseguite presso l'Università Tecnica di Delft. I risultati ottenuti evidenziano che le nanoparticelle di solo magnesio mostrano dei chiari plateau di pressione corrispondenti all'assorbimento di idrogeno, tramite cui sono stati stimati i valori di entalpia di formazione. Al contrario, i campioni con struttura core-shell, la cui crescita rappresenta di per sé un risultato interessante, non presentano tale comportamento.

Studio dei parametri che determinano la gittata sistolica e la pressione aortica

La stesura di questo elaborato di tesi trova le basi sull’articolo di Stergiopulos et al. “Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure” pubblicato sulla rivista americana American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology nel 1996. Si cerca di investigare sull’importanza che ricoprono alcuni parametri che descrivono il muscolo cardiaco e l’albero arterioso e sulla loro rispettiva influenza sulla pressione sistolica, pressione diastolica e sul volume di sangue eiettato in un battito, ovvero la gittata sistolica. Si procede con la descrizione in dettaglio della funzionalità cardiaca mediante il modello ad elastanza tempo variabile e il modello windkessel a tre elementi simulando così la contrazione ventricolare e l’albero arterioso sistemico. In dettaglio per quanto riguarda la struttura dell’elaborato è bene specificare che l’analisi teorica affrontata nei primi due capitoli ha l’obiettivo primario di: 1) chiarire i principali e caratteristici meccanismi che si trovano alla base della funzionalità cardiaca e procedere quindi con i richiami relativi alla fisiologia del sistema cardio-circolatorio facendo particolare attenzione al concetto di ciclo cardiaco, ciclo pressione-volume e fattori che determinano la funzionalità cardiaca in dettaglio; 2)illustrare quelli che sono i principali modelli di riferimento presenti in letteratura che descrivono la contrazione del ventricolo sinistro in termini di analisi pressione-volume ventricolari istantanei. Dal terzo capitolo in avanti si prosegue verso quello che è il vivo della trattazione dell’articolo di riferimento, nel capitolo appena citato si fa luce sui dettagli che caratterizzano il modello matematico utilizzato per approssimare al meglio il sistema cuore-sistema arterioso e sull’applicazione della teoria dell’analisi dimensionale mediante l’utilizzo del Teorema di Buckingham al fine di ricavare i parametri di interesse. Nel quarto capitolo si riportano i risultati dello studio con annessa validazione del modello e la sua applicazione rispetto al caso umano. Il quinto capitolo è sede della discussione dei risultati ottenuti cercando di far luce sull’universalità e applicabilità delle formule empiriche ottenute e su eventuali limitazioni e implicazioni riscontrabili. Tale elaborato si chiude con alcune conclusioni in merito allo studio effettuato.

simulazione della cinetica chimica in una scarica a barriera dielettrica in aria a pressione atmosferica

Sviluppo di un simulatore della cinetica chimica in una scarica a barriera dielettrica in aria a pressione atmosferica, focalizzando l'attenzione nei processi di creazione e decomposizione dell'ozono. Illustrazione del parco software utilizzato e caratterizzazione del modello fisico reale. Analisi e confronto tra i dati ottenuti tramite calcolatore e i dati ottenuti dalle misure al laboratorio.

A method of measuring anterior chamber volume using the anterior segment optical coherence tomographer and specialized software.

PURPOSE: To describe and evaluate a new method for measuring anterior chamber volume (ACV). DESIGN: Observational case series. METHODS: The authors measured ACV using the anterior chamber (AC) optical coherence tomographer (OCT) and applied image-processing software developed by them. Repeatability was evaluated. The ACV was measured in patient groups with normal ACs, shallow ACs, and deep ACs. The volume difference before and after laser peripheral iridotomy (LPI) was analyzed for the shallow and deep groups. RESULTS: Coefficients of repeatability for intraoperator, interoperator, and interimage measurements were 0.406%, 0.958%, and 0.851%, respectively. The limits of agreement for intraoperator and interoperator measurement were -0.911 microl to 1.343 microl and -7.875 microl to -2.463 microl, respectively. There were significant ACV differences in normal, shallow, and deep AC eyes (P < .001) and before and after LPI in shallow AC (P < .001) and deep AC (P = .008) eyes. CONCLUSIONS: The ACV values obtained by this method were repeatable and in accord with clinical observation.

Spettroscopia di desorbimento termico: progettazione e costruzione di un apparato e primi esperimenti.

L’elaborato descrive la progettazione di un prototipo per misure spettroscopiche di desorbimento termico e i primi esperimenti effettuati con esso. Vengono descritti in dettaglio gli strumenti peculiari di tale apparato, come lo spettrometro di massa quadrupolo e la pompa a diffusione e le parti costruite ad hoc per tale dispositivo, ovvero la struttura del portacampione e del sostegno al forno utilizzato per il riscaldamento delle sostanze analizza- te. Particolare importanza `e posta nella descrizione della parte software del prototipo, che utilizza la tecnologia del DDE (Dynamic Data Exchange) per comunicare i dati tra due programmi diversi operanti su una medesima piattaforma; viene quindi illustrato il funzionamento del software comunicante direttamente con lo spettrometro e del programma LabView creato per il monitoraggio e il salvataggio dei dati raccolti da tale apparato. L’ultima parte dell’elaborato riguarda i primi esperimenti di spettroscopia di desorbimento termico effettuati, comprendendo sia quelli preliminari per testare la qualità del prototipo sia quelli da cui `e possibile ottenere una curva di desorbimento termico per i vari gas analizzati in camera, come ad esempio idrogeno.

Creazione e validazione di un modello per lo sfruttamento dell'idrogeno come vettore di accumulo dell'energia elettrica

Nell’ambito di un progetto di ricerca sui sistemi di accumulo dell’energia elettrica, in corso di avvio al “Laboratorio di microreti di generazione e accumulo” di Ravenna, è stato sviluppato un modello di calcolo in grado di simulare il comportamento di un elettrolizzatore.Il comportamento di un generico elettrolizzatore è stato modellato mediante una serie di istruzioni e relazioni matematiche, alcune delle quali ricavate tramite un’analisi dettagliata della fisica del processo di elettrolisi, altre ricavate empiricamente sulla base delle prove sperimentali e dei dati presenti nella bibliografia. Queste espressioni sono state implementate all’interno di un codice di calcolo appositamente sviluppato, realizzato in linguaggio Visual Basic, che sfrutta come base dati i fogli di calcolo del software Microsoft Excel per effettuare la simulazione. A partire dalle caratteristiche dell’elettrolizzatore (pressione e temperatura di esercizio, dimensione degli elettrodi, numero di celle e fattore di tuning, più una serie di coefficienti empirici) e dell’impianto generale (potenza elettrica disponibile e pressione di stoccaggio), il modello è in grado di calcolare l’idrogeno prodotto e l’efficienza globale di produzione e stoccaggio. Il modello sviluppato è stato testato sia su di un elettrolizzatore alcalino, quello del progetto PHOEBUS, basato su una tecnologia consolidata e commercialmente matura, sia su di un apparecchio sperimentale di tipo PEM in fase di sviluppo: in entrambi i casi i risultati forniti dal modello hanno trovato pieno riscontro coi dati sperimentali.

Determinazione dei parametri cardiovascolari a partire dagli intervalli sistolici e dall'andamento di elastanza ventricolare e pressione arteriosa

L'obiettivo dell'elaborato è di riproporre i metodi utilizzati dai dottori Pessenhofer H. e Kenner T., e in particolare dimostrarne l'efficienza, per determinare in modo non invasivo gli andamenti di alcuni parametri cardiovascolari tra i quali la pressione ventricolare e quella arteriosa. Utilizzando il software di calcolo Matlab ne viene simulato il metodo e testata l'affidabilità partendo dall'ipotesi di avere a disposizione alcuni parametri noti come: l'andamento dell'elastanza ventricolare tempo variante, la forma d'onda triangolare della portata aortica, il volume sistolico detto anche ''Stroke Volume'', il valore del volume ventricolare di correzione, gli intervalli di tempo sistolici e la curva della pressione arteriosa.

Sintesi di nanoparticelle composite con morfologia avanzata mediante condensazione in atmosfera inerte o reattiva

Uno dei concetti chiave dell'impiego della nanotecnologia è quello dell'ingegnerizzazione dei materiali alla nano-scala. Si procede così alla realizzazione di materiali aventi morfologia, struttura e composizione ottimizzate per migliorarne specifiche proprietà in maniera controllata. In questo lavoro sono stati realizzati campioni nanoparticellari a base di magnesio con la tecnica (R-)IGC (Reactive or Inert Gas Condensation) allo scopo di studiare come l'atmosfera nella quale vengono sintetizzati ne influenzi le proprietà morfologiche e strutturali, al fine di poterne controllare la crescita per impieghi specifici. In particolare, si sono voluti analizzare i risultati ottenuti in diverse situazioni: nel caso in cui la sintesi avvenga in un'atmosfera contenente una piccola concentrazione di ossigeno e nel caso della coevaporazione di magnesio e titanio in atmosfera inerte o contenente idrogeno. I campioni sono poi stati analizzati dal punto di vista morfologico, composizionale e strutturale mediante microscopia a scansione elettronica e diffrazione a raggi X. E' stato mostrato che la presenza controllata di ossigeno durante la sintesi permette di realizzare strutture core-shell di dimensione media 40nm e che la co-evaporazione di magnesio e titanio permette la sintesi di nanoparticelle di dimensioni medie anche inferiori ai 12nm. La presenza di idrogeno durante l'evaporazione permette inoltre di crescere nanoparticelle contenenti idruro di titanio senza dover ricorrere ad una idrurazione successiva. Le proprietà termodinamiche e cinetiche di (de)-idrurazione dei campioni sintetizzati sono state misurate utilizzando sia un apparato barometrico Sievert, sia effettuando un'analisi direttamente nel sito di crescita. I campioni realizzati non mostrano una termodinamica significativamente diversa da quella del magnesio bulk, mentre le cinetiche dei processi di assorbimento e desorbimento risultano notevolmente più rapide.