Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

2 novembre 2016

Le torri dissipative, un ottimo ausilio contro i terremoti

Rubrica: Tecnologie in edilizia

Titolo o argomento: Dissipare l’energia dei terremoti

Mentre il paese pensa ai fiori di lillà e non ci facciamo mancare ogni tipo di ossessione, ci sfugge qualcosa di più importante. L’Italia, la terra delle menti brillanti (tra i maggiori esportatori al mondo di cervelli), ha potenzialmente soluzioni per ogni cosa e la capacità di intraprenderle autonomamente essendo una primizia mondiale (purtroppo sovente mal custodita) in settori quali, le scienze, la medicina, l’ingegneria, la robotica, l’aerospaziale, l’energia, i materiali, l’industria, la fisica, l’arte, la cultura… e molto altro condotto sempre con doti quali la capacità di innovare, la creatività, l’originalità…

Penso però sia veramente un peccato che certe chicche del progresso siano masticate solo da tecnologi di settore e mai chiacchierate in larga diffusione affinché tutti ne conoscano quantomeno l’esistenza. Un esempio importante, in questo periodo di risveglio del nostro sottosuolo (con la serie di terremoti iniziata il 24 Agosto ed in realtà mai terminata, a memoria storica, dal 1700), è rappresentato dalle “Torri dissipative” brevettate con merito (con brevetto internazionale che comprende anche Cina, Giappone e Stati Uniti, affermatosi nel 2013 al Salone Internazionale delle Invenzioni di Ginevra, la più importante esposizione di invenzioni al mondo), in una versione innovativa, dall’Ing. Alessandro Balducci dell’Università Politecnica delle Marche. All’evento queste innovative Torri dissipative hanno vinto la medaglia d’oro* e la menzione speciale nell’ambito della classe D, ovvero Costruzioni, Architettura, Edilizia civile.

*Il brevetto era in competizione, a Ginevra, con circa 800 invenzioni dal mondo delle imprese, istituti, università e inventori provenienti da 41 paesi, davanti a oltre 60.000 visitatori. La giuria internazionale era composta da 85 specialisti di ogni settore.

Le Torri dissipative sono state mostrate anche durante l’evento “Your Future Festival”, tenutosi presso l’Università Politecnica delle Marche nel 2014, dove studenti e visitatori ne hanno potuto apprezzare un fedele e funzionante modello in scala (immagini in basso). Si tratta di un dispositivo per la protezione sismica degli edifici, una protezione che potremmo definire di tipo attivo se paragonata ad esempio ai dispositivi di sicurezza dei veicoli.

La tecnologia sviluppata dall’Ingegner Balducci vanta una notevole efficacia (consente agli edifici di resistere anche a terremoti di grande intensità) e costi di applicazione decisamente contenuti (circa 150 Euro per ogni metro quadro). Tanto per capirci con il costo di una piccola utilitaria si può evitare di perdere la casa (previa possibilità di installazione del dispositivo) o importanti strutture come scuole e ospedali.

Il sistema prevede l’applicazione di torri (costituite da tralicci metallici) all’esterno degli edifici. Queste vengono posizionate in modo strategico, a ridosso dei punti critici delle strutture, al fine di assorbire le oscillazioni degli edifici e scaricarle alle loro basi. Tali basi sono vincolate a terra tramite un appoggio centrale a cerniera sferica (immagini in basso) e le oscillazioni sono controllate da dispositivi di dissipazione montati su manovellismi di amplificazione degli spostamenti, disposti radialmente per risultare attivi in tutte le direzioni. L’effetto che ne deriva si traduce in una significativa riduzione delle accelerazioni e degli spostamenti dell’edificio. Il sistema, in quanto esterno, può essere applicato agli edifici senza interferenze con gli spazi e quindi senza interrompere l’operatività delle funzioni degli edifici stessi: per questo è stato giudicato particolarmente adatto a ospedali e scuole.

La prima realizzazione in assoluto delle torri dissipative è stata operata presso una scuola, il Liceo Benedetto Croce di Avezzano, seguito poi dal Liceo da Varano nel centro di Camerino e dal complesso Ospedaliero di Torrette di Ancona. L’applicaione sta ora avendo successo a livello mondiale.

Maggiori informazioni

Per maggiori informazioni trovate tutta la documentazione necessaria ed i contatti con l’Ingegner Alessandro Balducci, al seguente link: www.torridissipative.com

Curiosità

Il sistema di connessione del traliccio all’edificio è assimilabile ai triangoli delle sospensioni che nelle vetture connettono le ruote al telaio.

Il traliccio della torre è di per sé assimilabile al telaio in tubi a traliccio di una vettura o di una moto da corsa.

Il sistema di dissipazione dell’energia alla base della torre è invece assimilabile al sistema di leveraggi di una sospensione motociclistica.

13 ottobre 2016

Tipologie di Data Logger

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Strumenti per registrare dati fisici
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A livello commerciale si posono distinguere 4 tipologie di data logger: stand-alone, web-based data logging systems, wireless data nodes e BLE (Bluetooth Low Energy) data loggers. Un quinto tipo è rappresentato invece dai registratori di dati che si possono montare a bordo, ad esempio su un prototipo di un veicolo. Parliamo quindi della possibilità di registrare dati come le forze agenti su un veicolo in movimento o i parametri di un powertrain (a combustione interna, elettrico o ibrido) durante il suo utilizzo. Infine vi sono soluzioni di data logger assemblate ad hoc, per particolari esigenze, da chi fa ricerca. In quest’ultimo caso non pensate per forza a grandi laboratori di grandi realtà irraggiungibili, potrebbe trattarsi anche del vostro garage di casa. Del resto, diceva Wernher von Braun, “Ricerca è ciò che faccio quando non so che sto facendo”.

Data logger portatili

Stand-Alone Data Logger

I data logger di tipo stand-alone sono compatti, portatili e riutilizzabili. Hanno un prezzo contenuto e si utilizzano facilmente in quanto necessitano solo di essere avviati e stoppati all’occorrenza. Generalmente sono monocanale e quindi rilevano una sola grandezza alla volta (ad esempio solo la temperatura). In linea di massima acquisiscono un solo tipo di grandezza anche se ne esistono, con costi leggermente più alti, modelli in grado di acquisire più tipi di grandezze (ad esempio tutte quelle rilevate da un multimetro) ma pur sempre una alla volta.

Includono al loro interno sia la memoria che conserva i dati acquisiti, sia il circuito dello specifico sensore di cui sono dotati nonché l’unità che rileva le grandezze fisiche e le trasforma nel dato utile all’utente, sia la batteria che li alimenta. Al loro esterno hanno generalmente un display, che mostra i dati istantanei catturati, e la presa che permette di collegare il sondino contenente lo specifico sensore. Generalmente il sondino ha un cavo di una lughezza sufficiente a tenere il data logger distante dalla zona del rilievo, questo ad esempio quando è necessario proteggerlo dalla presenza di liquidi o alte temperature. Altre volte invece anche il sensore è contenuto all’interno della scocca del data logger ad esempio ove è richiesta compattezza, dove il rilievo riguarda l’intero ambiente o dove è necessario un elevato grado di protezione ad esempio ai liquidi.

I data logger stand-alone possono comunicare con un computer tramite un’interfaccia USB oppure estraendo la memoria presente all’interno e trasportando così solo i dati senza rimuovere il dispositivo dal luogo del rilievo.

Onboard Data logger

Se nel lavoro che svolgono sono in tutto e per tutto analoghi a tutti gli altri data logger, quello che cambia è il contesto in cui vengono inseriti, come vengono alimentati, quali parametri solitamente registrano e la possibilità di scaricarli manualmente sul computer o di trasmetterli con un sistema a radiofrequenza, una rete telefonica o un collegamento ottico. La loro costruzione deve essere “robusta” per sopportare, sollecitazioni e condizioni sfavorevoli (vibrazioni, sporco, umidità, temperature elevate) e devono essere in grado di registrare una gran mole di dati provenienti da più canali con un’elevata frequenza di campionamento.

Data logger per stazione fissa

Web-based Data Logging Systems

I data logger web-based permettono l’accesso ai dati tramite un cellulare GSM, tramite il Wi-Fi o la rete Ethernet. Questi sistemi possono essere configurati con una gran varietà di sensori esterni e trasmettere i dati ad un server sicuro che li raccolga e li renda fruibili.

Wireless Data Nodes

I wireless data nodes trasmettono in tempo reale i dati da una moltitudine di stazioni ad un computer centrale eliminando la necessità di andare fisicamente presso ogni postazione a scaricare i dati di ogni data logger.

BLE Data Logger

I BLE data logger (Bluetooth Low Energy) misurano e trasmettono dati ad un dispositivo mobile nel raggio di 30 metri.

Data Logger assemblati ad hoc

Non si comprano in un negozio, si assemblano, si aggiornano, si modificano, si espandono, si smontano e si rifanno ad hoc per ogni nuova situazione che richieda l’acquisizione di dati. Ci si procura l’hardware necessario (sensori, relativi circuiti, scheda di acquisizione degli input analogici o digitali, relativo software e un computer) e lo si assembla sulle proprie specifiche esisgenze che possono variare di volta in volta cambiando solo i sensori, i relativi circuiti e la programmazione che permette alla scheda che acquisisce gli input di tradurre i rilievi e renderli fruibili come valori finali all’utente. Quello che è rischiesto in questo caso è la conoscenza dei sensori necessari, la matematica che permette di trasformare le grandezze fisiche rilevate nel valore desiderato (nei precedenti articoli abbiamo fatto l’esempio del termistore la cui resistenza diminuisce al crescere della temperatura e per il quale un’opportuna equazione di terzo grado permette la traduzione dei valori di resistenza in valori di temperatura facilmente interpretabili dall’utente), la capacità di assemblare piccoli circuiti e di interfacciare il tutto con il computer. Pratica sicuramente estremamente laboriosa le prime volte ma in grado di offrire personalizzazioni, espansioni e strumenti estremamente aderenti alle proprie esigenze riutilizzando e riconfigurando più e più volte la maggior parte dello stesso hardware.

Nell’immagine sotto, un semplice circuitino che abbiamo realizzato per ottenere un sensore di temperatura, in sostanza altro non è che una comune sonda K autocostruita. Questa viene sollecitata dal calore, di conseguenza varia la sua resistenza, una scheda di elaborazione (ne trovate quante ne volete sul mercato) di input/output analogici/digitali non fa altro che leggere i valori, inserirli nella equazione di terzo grado che li trasforma in temperatura e fornirli in uscita sul computer restituendo valori istantanei, liste di valori, tabelle, grafici e tutto ciò per cui l’avete programmata. Ovviamente è possibile fornire come dati in ingresso i valori provenienti da più sonde contemporaneamente, sia dello stesso tipo che di tipo differente e riconfigurare ogni volta l’intero sistema in maniera aderente alle nuove esigenze.

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Che cos’è un Data Logger?
Come lavora un Data Logger?
Tipologie di Data Logger
Sessioni di Data Logging (Verrai reindirizzato alla pagina Instruments)

12 ottobre 2016

Come lavora un Data Logger?

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Strumenti per registrare dati fisici
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I data logger di tipo stand-alone possono funzionare tranquillamente in maniera autonoma, alimentati dalle proprie batterie e collegati ai propri sensori. Essi permetteranno di scaricare i dati sul computer (ora anche su smartphone e tablet) in un secondo momento mediante un normale cavo USB o con trasmissione bluetooth o, ancora, tramite una rete wifi.

I data logger che funzionano invece interfacciandosi con il pc offrono, via via che cresce la loro complessità, maggiori possibilità di personalizzazione a partire dall’intervallo di tempo che intercorre tra la registrazione di un dato e l’altro (frequenza di campionamento), passando per il bit-rate, fino al numero di canali di registrazione ed all’impostazione del momento di avvio e termine del rilievo. Gli utenti più esperti possono inoltre programmarne di specifici per leggere numerose tipologie di sensori, in tal caso è richiesta la conoscenza delle grandezze fisiche variabili e la matematica che le lega al relativo segnale elettrico generato. L’esempio più semplice è quello del termistore la cui resistenza si riduce, seguendo una precisa equazione di terzo grado, con l’aumentare della temperatura; in tal caso la diminuzione della resistenza elettrica offrirà in uscita un incremento di temperatura espresso in gradi Kelvin o Celsius (quest’ultima scala si ottiene semplicemente inserendo nell’espressione matematica, elaborata dal processore del datalogger, un’ultima sottrazione: -273,15).

Data logger più moderni offrono la possibilità di controllo remoto dei dati tramite smartphone, tablet o mediante un pc remoto collegato alla rete; laddove necessario possono essere impostati valori di allarme che avvisano l’utente, ovunque esso si trovi, che sono state raggiunte precise soglie.

Diverse aziende che commercializzano data logger di tipo “consumer” (ossia dai costi contenuti e dedicati ad un utenza generica) pasticciano i loro prodotti fornendo separatamente il relativo software per la visualizzazione dei dati (liste, tabelle e grafici) e per l’esportazione dei file (generalmente txt, csv, xml…). A questo sovente si associano anche procedure di download astruse e troppo laboriose per poter essere digerite da normali utenti. Inoltre, talvolta, il software è disponibile addirittura con un costo aggiuntivo nonostante il tipo di applicativo che legge e organizza i dati sia tra i più banali esistenti.

Per simili ragioni coloro che hanno almeno dei rudimenti di fisica, matematica e meccatronica tendono ad assemblare autonomamente dei data logger dedicati ideali per le proprie esigenze. Si tratta di utilizzare schede di elaborazione dati (microcontrollori, schede embedded, schede di elaborazione input/output analogico/digitale) che possano leggere input provenienti dai sensori scelti (già inseriti in un circuito o da inserire in appositi circuiti realizzati ad hoc) e dialogare con un normale notebook al fine di immagazzinare liste di dati e trasformarli poi in tabelle e grafici. A fronte di una maggior fatica iniziale, necessaria per l’apprendimento di numerosi concetti, la libertà che ne segue poi, nonché l’enorme rapidità di realizzazione di ogni strumento necessario, non hanno prezzo. Vedremo alcuni curiosi esempi negli articoli più specifici, che seguiranno, dedicati alle sessioni di data logging.

Continua…

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Come lavora un Data Logger?
Tipologie di Data Logger
Sessioni di Data Logging (Verrai reindirizzato alla pagina Instruments)

Nell’immagine una sessione di data logging da stazione fissa
mediante multimetro con data logger integrato e relativo software
per l’acquisizione e la gestione dei dati su computer.
Sul multimetro è possibile vedere il valore istantaneo rilevato,
mentre sul pc si osserva l’ultimo dato trasmesso e acquisito.

12 ottobre 2016

Che cos'è un Data Logger?

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Strumenti per registrare dati fisici

Un data logger è uno strumento elettronico che registra misurazioni ad un preciso intervallo di tempo l’una dall’altra e con uno specifico bit rate (velocità di trasmissione). Nei casi più professionali questi valori sono impostabili dall’utente a seconda della complessità del test e della quantità di dati richiesta. Quest’ultima può essere tanto maggiore quanto più alta è la necessità di affinare la precisione di un grafico, ad esempio una curva di scarica di un pacco batterie installato su un prototipo elettrico da testare.

E’ possibile registrare dati di varia natura (grandezze scalari e vettoriali) e nei più disparati campi applicativi utilizzando diverse tipologie di registratori di dati, mirati per un singolo compito, oppure utilizzando registratori di dati in grado di acquisire più valori di uno stesso ambito (dati meteorologici: pressione, temperatura, umidità, irradianza, ecc.; dati elettrici: tensione, corrente, potenza, coppia, numero di giri, resistenza, temperatura, massimi e minimi, sbilanciamenti, ecc.; dati fisici: accelerazione, velocità, spostamenti, carichi, momenti, torsioni, ecc.) o, ancora, costruendo e programmando un data logger ad hoc per soddisfare mirate necessità di ricerca.

Nell’esempio mostrato in foto ci siamo serviti di una scheda di elaborazione input/output analogico/digitale che abbiamo collegato, nel caso specifico, ad un circuito dotato di termistore da noi realizzato e che abbiamo programmato tramite Linguaggio G. I rilievi effettuati restituivano in uscita il valore istantaneo della resistenza elettrica, il grafico dei valori rilevati nell’intervallo di tempo definito ed una tabella esportabile su qualunque foglio elettronico. Inoltre, inserendo la relativa matematica, è possibile trasformare il valore della resistenza in temperatura espressa in gradi Celsius o Kelvin. Il termistore, infatti, è un componente elettronico sensibile alla temperatura la cui resistenza elettrica varia con la temperatura stessa (come vedremo presto negli specifici articoli delle pagine Instruments e Equipments).

Esempi di dati da raccogliere in un dominio temporale definito sono, più genericamente: temperatura dell’aria, umidità relativa, corrente e tensione continua o alternata, differenze di pressione, tempi di utilizzo (luci, motori, dispositivi per i quali è opportuno tenere sotto controllo la vita utile), intensità della luce, temperatura di un liquido, livello di un liquido, ossigeno dissolto, umidità del terreno, piovosità, velocità del vento, direzione del vento, bagnatura fogliare, segnali di impulso, occupazione delle camere, il carico di una presa di corrente, parametri di un impianto di produzione e accumulo dell’energia, parametri di un powertrain, prestazioni del corpo umano durante un’attività atletica, temperatura all’interno di sistemi frigoriferi atti al trasporto alimenti o campioni biologici (per il rispetto del protocollo H.A.C.C.P.) e molto altro…

I data logger generalmente sono dispositivi compatti alimentati a batteria dotati di un microprocessore, una memoria e uno o più ingressi ai quali sono connessi sensori dedicati. Possono essere impiegati nelle condizioni più severe (anche sott’acqua ove richiesto) e registrare dati per pochi secondi così come per mesi.

Dispositivi monocanale hanno costi di acquisto molto bassi e svolgono un’unica funzione senza possibilità di personalizzare il rilievo, al contrario i dispositivi multicanale possono collezionare una moltitudine di dati in base al numero di sensori di cui sono corredati. Nel mezzo esiste una grande gamma di prodotti che tuttavia, al momento in cui si scrive, non adottano ancora un medesimo standard nel formato di registrazione dei dati, né nel software impiegato e nella relativa fruibilità di funzioni. Ciò implica la necessità di procurarsi più dispositivi per assolvere, come nel nostro caso, compiti molto diversi tra loro come ad esempio l’acquisizione anche di un solo valore che però possa cambiare da prova a prova, l’acquisizione di valori da stazione fissa oppure onboard mentre ci si trova in movimento anche su terreni sconnessi nei quali è fondamentale che l’unità di registrazione sia compatta, leggera e affidabile per continuare a registrare regolarmente anche sotto stress, nonché impermeabile per far fronte anche ad imprevisti e condizioni variabili.

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Tipologie di Data Logger
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Data logging

22 settembre 20168 novembre 2018

Refrigerazione magnetica

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Principi fisici pratici…
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Ciclo termodinamico

Il ciclo termodinamico di un sistema frigorifero magnetico, ovvero di un sistema di refrigerazione che sfrutta l’effetto Magnetocalorico (vedi link riportati in basso), può essere a grandi linee assimilato a quello di una macchina frigorifera a compressore.

Prima di descrivere le 4 fasi ricordiamo che inizialmente il materiale (la lega magnetocalorica) si trova in equilibrio termico con l’ambiente nel quale è collocato, nello specifico tale ambiente risulta isolato per andare in contro alla condizione di adiabaticità.

Fase 1: Magnetizzazione adiabatica

La prima fase consiste nella “magnetizzazione adiabatica”. Il materiale, inserito in un ambiente isolato, viene accoppiato ad un refrigeratore e sottoposto ad un campo magnetico che induce l’allineamento dei dipoli magnetici degli atomi (i domini magnetici si orientano quindi tutti allo stesso modo), la vibrazione delle molecole si incrementa, il materiale si scalda. Conservandosi l’energia, l’aumento di temperatura avviene perché si riduce l’entropia e la capacità termica del materiale (ovvero l’attitudine ad accumulare calore).

Fase 2: Trasferimento entalpico isomagnetico

Nella seconda fase si ha un “trasferimento entalpico isomagnetico”, il calore ottenuto viene prelevato mediante un fluido che evolve attraverso il refrigeratore. Durante questa fase il campo magnetico applicato non cambia, ciò per impedire che i dipoli magnetici possano riassorbire calore. Una volta che il materiale è stato sufficientemente raffreddato (dal fluido che evolve nel circuito) viene separato dal refrigeratore.

Fase 3: Demagnetizzazione adiabatica

La terza fase, detta di “demagnetizzazione adiabatica”, prevede una riduzione del campo magnetico mantenendo la sorgente isolata dall’ambiente esterno (trasformazione adiabatica). I dipoli magnetici si orientano casualmente, la vibrazione delle molecole si riduce ed il materiale si raffredda. L’energia (e l’entropia) è trasferita da entropia termica a magnetica (ovvero disordine dei dipoli magnetici).

Fase 4: Trasferimento entropico isomagnetico

Nella quarta ed ultima fase ha luogo il “trasferimento entropico isomagnetico”, il campo magnetico è mantenuto costante per impedire al materiale di scaldarsi e la lega magnetocalorica (che è stata raffreddata ad una temperatura inferiore a quella ambiente) viene posta a contatto con l’ambiente caldo per asportare il suo calore raffreddandolo.

Nota semplificativa

All’atto pratico queste fasi vengono ottenute generalmente con sistemi assiali azionati da un motore elettrico che mette in rotazione un albero sul quale è posto il magnete che andrà ad avvicinarsi e ad allontanarsi ciclicamente dal materiale ferromagnetico.

Parallelismi con il ciclo frigorifero delle macchine a compressore

La fase 1 sopra descritta equivale a quella di compressione del gas frigorigeno (o fluido refrigerante) in un ordinario ciclo frigorifero.

La fase 2 è equivalente a quella dell’espulsione di calore nel ciclo frigorifero convenzionale.

La fase 3 corrisponde alla fase di espansione del ciclo frigorifero convenzionale ove l’espansione del gas produce l’effetto di raffreddamento. Ed è proprio in seguito all’espansione del gas refrigerante che si produce la potenza frigorifera principale.

La fase 4 equivale all’assorbimento di calore nel ciclo frigorifero convenzionale. L’assorbimento di calore produce l’effetto di raffreddamento nel vano isolato che inizialmente si trovava a temperatura ambiente

Sostanzialmente, quindi, al posto della compressione del gas, si ha l’introduzione di una lega magnetocalorica in un campo magnetico e, al posto dell’espansione del gas, la stessa, viene portata al di fuori del campo. Grazie all’effetto magnetocalorico (vedi in basso i link correlati) si ottiene un assorbimento e un espulsione ciclica di calore analoga a quella di un tradizionale ciclo frigorifero.

Esistono tuttavia delle differenze sostanziali infatti in un fluido refrigerante gassoso l’acquisto e la cessione di calore sono piuttosto rapidi grazie alle turbolenze che si creano le quali inducono una rapida ed efficiente trasmissione del calore. Ciò non avviene invece nei materiali solidi magnetocalorici dove il calore viene trasportato a seguito di una lenta propagazione molecolare. Attualmente sono in studio conformazioni “porose” che si pensa dovrebbero agevolare la propagazione del calore; inoltre una riduzione delle distanze tra la lega magnetocalorica ed il fluido che asporta calore renderebbero più veloce il processo di raffreddamento magnetico.

Vantaggi
Il sistema non necessità di un compressore.
Non vi sono gas refrigeranti (inquinanti o infiammabili) nel circuito.
Non vi sono alte pressioni operative.
Il sistema consuma il 35% di energia in meno rispetto al ciclo a compressore.
Il sistema è sicuro per l’ambiente.
Il sistema permette di raggiungere temperature estremamente basse prossime allo 0 Kelvin (impianti multi-stadio).
Alta reversibilità.
Svantaggi (vedi il video della presentazione)
Il costo iniziale del sistema di refrigerazione è piuttosto alto.
Le leghe magnetocaloriche attuali risultano costose.
I materiali magnetocalorici ideali sono attualmente alla fase di studio

Fonti:
Centro Studi Galileo
Università di Scienze Applicate di Yverdon-les-Bains Svizzera

Link correlati

Che cos’è l’effetto magnetocalorico?
Refrigerazione magnetica

Image’s copyright: Harekrushna Maharana
https://www.youtube.com/watch?v=KrQR8h4NKk0

20 settembre 2016

Che cos'è l'effetto magnetocalorico?

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Principi fisici pratici…

Si tratta di un processo di tipo magneto-termodinamico, ossia un processo nel quale un cambiamento del campo magnetico induce una variazione, reversibile, della temperatura. Il fenomeno si osserva applicando e rimuovendo opportunamente un campo magnetico ad un materiale ferromagnetico (più precisamente parliamo di leghe magnetocaloriche* costituite ad esempio da Gadolinio, Silicio e Germanio oppure da Ferro e Rodio) posto in ambiente isolato (condizione adiabatica).

*Leghe magnetocaloriche dai costi contenuti e dalle proprietà prossime a quelle ideali sono attualmente in fase di studio. La tecnologia dei materiali può fare passi da gigante in questo ambito grazie alle scoperte degli ultimi decenni.

Il materiale ferromagnetico è suddiviso in regioni ognuna delle quali viene denominata dominio magnetico (nell’accezione matematica del termine). Tali regioni hanno la caratteristica di contenere atomi i cui momenti magnetici sono di egual verso e direzione. Ognuna di queste regioni, pertanto, possiede una magnetizzazione uniforme (vedi figura in basso) ma di differente orientamento rispetto alle regioni limitrofe. In linea di massima vi è comunque un orientamento maggiormente ricorrente a seconda della struttura cristallina del materiale.

Quando un campo magnetico viene applicato alla lega magnetocalorica i domini magnetici tendono ad uniformarsi in un unico dominio più grande dove i momenti magnetici degli atomi sono tutti uguali (vedi figura in basso) e il materiale si scalda per la maggiore agitazione molecolare che questo comporta. Ad una diminuzione del campo magnetico precedentemente applicato corrisponde una tendenza alla ri-orientazione libera dei singoli domini magnetici. Tale ri-orientazione dei domini avviene con assorbimento di energia termica ed il materiale, che ricordiamo si trova in ambiente isolato, si raffredda. L’energia termica viene utilizzata proprio per riorientare i momenti magnetici degli atomi.

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Che cos’è leffetto magnetocalorico?
Refrigerazione magnetica

Domini magnetici

A sinistra i diversi orientamenti magnetici, uniformi solo in
precise regioni dette domini. A destra l’orientamento totalmente
uniforme indotto da una campo magnetico.

7 settembre 2016

Celle fotosintetiche: Processo di trasformazione del biossido di carbonio in idrocarburi riutilizzabili come combustibili

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Copiare le piante per trasformare l’anidride carbonica in energia
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Vedi i “link correlati” riportati in basso.

La cella fotosintetica, che è una sorta di foglia artificiale creata in laboratorio, sfrutta una dinamica parallela a quella delle piante, una reazione detta di “riduzione” ovvero l’opposto della reazione di “ossidazione” o della “combustione”, per produrre Syngas (ovvero gas di sintesi). Il Syngas altro non è che una miscela di idrogeno, monossido di carbonio, minime qunatità di metano e di biossido di carbonio, esso può essere usato direttamente come combustibile oppure trasformato in gasolio o in diversi idrocarburi. La reazione di riduzione che porta al Syngas deve essere guidata da appositi catalizzatori; fino a non molto tempo fa sono stati utilizzati catalizzatori piuttosto costosi (vedi ad esempio l’argento) i quali, però, si sono rivelati inefficienti.

La situazione è cambiata decisamente quando si sono iniziati ad utilizzare, in qualità di catalizzatori, composti nanostrutturati denominati TMDC (Transition Metal Dichalcogenides, in italiano, metalli di transizione dicalcogenuri, ovvero trattasi di materiali nanostrutturati 2D che, come gli appassionati del tema sapranno già bene, mostrano proprietà fisiche un tempo impensabili) abbinandoli ad un elettrolita costituito da un liquido ionico non convenzionale all’interno di una cella elettrochimica a 2 comparti e 3 elettrodi. Il catalizzatore che ha restituito i risultati migliori è stato il tungsteno diselenide nella forma nanometrica non perfettamente piana definita nanoflake (nanoflake tungsten diselenide). Quest’ultimo è molto attivo, capace di rompere i legami chimici dell’anidride carbonica e di raggiungere prestazioni sorprendenti se si pensa che è 1000 volte più veloce dei catalizzatori costituiti da metalli nobili ed è circa 20 volte più economico.

In realtà non è la prima volta che si usano catalizzatori di tipo TMDC. Altri ricercatori l’hanno già fatto ad esempio per ricavare idrogeno, ma mai per la riduzione dell’anidride carbonica. Questo perché il catalizzatore, da solo, non riesce a “sopravvivere” alla reazione in quanto i suoi siti attivi vengono avvelenati e ossidati. Invece, utilizzando un fluido ionico denominato etil-metilimidazolio tetrafluoroborato (ethyl-methylimidazolium tetrafluoroborate), mescolato al 50% con acqua, si genera un co-catalizzatore che conserva attivi i siti del TMDC anche nelle condizioni più difficili di riduzione.

La foglia artificiale realizzata dai ricercatori dell’UIC è costituita da celle fotovoltaiche (di silicio, a tripla giunzione) incaricate di raccogliere la luce, catalizzatore (tungsteno diselenide) e co-catalizzatore (etil-metilimidazolio tetrafluoroborato) posti sul catodo, infine ossido di cobalto in un elettrolita di fosfato di potassio posti sull’anodo. Quando la luce investe le celle fotovoltaiche, idrogeno e monosssido di carbonio vengono sprigionati dal catodo mentre ossigeno libero e ioni di idrogeno sono emessi dall’anodo. Gli ioni di idrogeno poi diffondono attraverso una membrana posta al lato del catodo e partecipano alla riduzione dell’anidride carbonica.

I risultati lasciano ben sperare per nuovi impieghi dei TMDC (metalli di transizione dicalcogenuri) i quali, assieme a quelli offerti dal grafene, rappresentano un passaggio definitivo ad una nuova era della ricerca scientifica-tecnologica in ambiti di rilievo come l’ambiente, l’energia, la medicina.

Fonte:
University of Illinois at Chicago – www.uic.edu
Elenco dei catalizzatori disponibile su: science.sciencemag.org

Che cos’è l’ossidoriduzione?

In questa breve rubrica si parla di ossidare, ridurre, ossidoriduzione per chi ne fosse a digiuno ne diamo una definizione piuttosto basilare che merita, naturalmente, tutti i dovuti approfondimenti da parte del lettore.

In chimica le reazioni di ossidoriduzione sono quelle in cui si ha uno scambio di elettroni tra una specie chimica e l’altra (cambia quindi il numero di ossidazione degli atomi). Tipici fondamentali esempi di reazioni di ossidoriduzione sono la respirazione e la fotosintesi clorofilliana. Con il termine “ossidazione” si intende che la specie chimica perde elettroni, mentre con il termine “riduzione” (dal latino re-ducedere ovvero riportare) si intende che la specie chimica acquisisce elettroni.

Es. 1
Processo fotosintetico
6CO₂ + 6H₂O + Energia solare → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Es. 2
Respirazione cellulare
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Energia (ATP)

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Fotosintesi clorofilliana
Fotosintesi clorofilliana: Fase luminosa e fase oscura
Rendimento della fotosintesi e dei pannelli fotovoltaici
La respirazione – Il processo inverso della fotosintesi
Produrre l’idrogeno attraverso la fotosintesi
Che cos’è una cella Fotosintetica?
Celle Fotosintetiche: Trasformare la CO2 in idrocarburi
Celle Fotosintetiche: Processo di trasformazione della CO2
Che cos’è una cella Fotovoltaica?

Image’s copyright: www.uic.edu

7 settembre 2016

Celle fotosintetiche: Trasformare il biossido di carbonio in idrocarburi riutilizzabili come combustibili utilizzando il sole come fonte di energia

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Copiare le piante per trasformare l’anidride carbonica in energia

I ricercatori dell’Università dell’Illinois a Chicago hanno realizzato un cella solare in grado di trasformare l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in idrocarburi direttamente utilizzabili o facilmente trasformabili nei carburanti noti. Il tutto sfruttando l’energia proveniente dal sole ed opportuni catalizzatori (maggiori info sullo studio, sui finanziamenti e sulla domanda di brevetto disponibili sulla rivista Science, presso la National Science Foundation, presso lo United States Departement of Enerrgy e sul sito web dell’Università dell’Illinois www.uic.edu).

Nonostante si tratti di un progetto di estremo rilievo, esso consiste tutto sommato in un sistema relativamente semplice, economico ed efficiente. Si suppone addirittura che sia possibile trasformare l’anidride carbonica atmosferica a costi competitivi con quelli degli ordinari carburanti.

Come è noto ai più le celle solari di tipo “fotovoltaico” (ovvero quelle che sfruttano il cosiddetto effetto fotovoltaico) trasformano la luce solare in energia elettrica direttamente utilizzabile o, meglio, immagazzinabile in un serbatoio che prende il nome di accumulatore elettrochimico (volgarmente… le batterie). Le celle progettate in questo caso, invece, sono sì solari ma di tipo “fotosintetico”. Questo significa che si comportano come le piante e l’energia proveniente dalla luce non diventa una corrente elettrica ma dà luogo ad una reazione chimica che, con l’ausilio di particolari catalizzatori, assorbe l’anidride carbonica atmosferica restituendo un combustibile come prodotto e risolvendo così due problemi non da poco (l’inquinamento ambientale e l’approvvigionamento di carburante). Realizzare ad esempio campi dotati di celle solari fotosintetiche equivarrebbe a pulire l’aria da notevoli quantità di carbonio producendo al contempo combustibile ad alta densità di energia in modo efficiente.

E’ quindi concreta oggi la possibilità di produrre carburanti rinnovabili anziché far uso di carburanti di origine fossile i quali sono protagonisti di un percorso a senso unico che termina con l’emissione di gas serra. Il tutto copiando semplicemente la dinamica delle piante quando, nella fase luminosa, trasformano l’anidride carbonica in glucosio (vedi in basso i Link correlati).

Continua…

Fonte:
University of Illinois at Chicago – www.uic.edu
Elenco dei catalizzatori disponibile su: science.sciencemag.org

Image’s copyright: www.uic.edu

4 luglio 201627 gennaio 2020

Comunicare con le formiche

Rubrica: Il fantastico mondo della comunicazione

Titolo o argomento: Comunicare con le formiche

Come molti lettori mi confermano di aver intuito, sono un amante della comunicazione. Ed anche se condivido appieno il pensiero espresso dai Litfiba nella canzone Apapaia (Litfiba. “Apapaia”. 17 Re, I.R.A. Records, 1986) che afferma “Si può vincere una guerra in due… ma è più difficile cambiare un’idea”, sono sicuro che sia comunque più facile trovare una soluzione per comunicare un diverso modo di pensare ad una persona, piuttosto che ad un’altra specie (nella fattispecie non domestica).

Una stramba idea

In rari casi però accade qualcosa che smentisce il pensiero comune; qualche anno fa mi sono messo in testa la stramba idea di far capire alle formiche, che facevano visita ogni primavera/estate nel mio studio, che la loro presenza nei miei spazi non rappresentava proprio l’ideale per me…

Il mio obiettivo era quello di evitare metodi drastici, quali ad esempio il ricorso a veleni, e cercare invece un metodo per comunicare che fosse riconosciuto “in qualche modo” dalle formiche come un pacifico segno di non gradimento.

Un comportamento ricorrente: La prima sentinella

Per anni ho osservato un comportamento ricorrente: con l’esaurirsi di giornate fredde e piovose, una colonia di formiche residente nel mio terrazzo inviava una prima sentinella in studio ad operare un perlustramento. Dalle zone raggiunte, e dal tempo dedicato a perlustrarle, sembrava si trattasse di un’attenta analisi per valutare l’ambiente e le affinità con le loro necessità di trovare un riparo, un clima ideale, possibili fonti di cibo, assenza di insetti pericolosi…

Un comportamento ricorrente: Reazioni a risposte aggressive

Puntualmente rispondere a questa visita con un veleno o con l’utilizzo di un aspirapolvere, si traduceva nell’arrivo di un maggior numero di sentinelle. Quasi come se una fosse incaricata di cercare la collega scomparsa (o quantomeno capire le dinamiche dell’accaduto, ad esempio la presenza di un insetto minaccioso), un’altra dovesse proseguire l’operato non portato a termine e un’altra ancora dovesse verificare, in difesa, eventuali anomalie da riferire alla colonia.

Quella in difesa generalmente restava nei pressi della finestra o dei microscopici buchi nel muro che portavano alle gallerie di comunicazione con il terrazzo esterno. Proseguire nell’utilizzo di mezzi “drastici” non portava altro che un continuo incremento nel numero di formiche che iniziavano il loro assedio allo studio che ben presto diventavano “centinaia”.

Una folle alternativa…

Gradualmente ho desistito dall’usare atteggiamenti bellici ed ho bandito l’uso di veleni, aspirapolveri, ciabatte e quant’altro. L’idea è stata quella di ricorrere ad un pacifico foglio di carta sul quale facevo salire ogni formica per poi riaccompagnarla in terrazzo senza provocarle danno alcuno. Dopo un’iniziale fase di tentennamento in cui io stesso credevo di essere impazzito, ho iniziato a verificare i risultati ottenuti ed il loro ripetersi “matematico” di anno in anno fino a farmi presumere quest’anno di aver avuto la conferma definitiva che la colonia di formiche comprende il mio messaggio.
Ogni tanto è accaduto di doverne riaccompagnare una fuori, ci vuole perseveranza… ma a centinaia non sono più entrate nel momento in cui ho mostrato rispetto per la loro realtà.

Infatti ho potuto osservare, per anni, che senza ricorrere a soluzioni nette il loro numero in ingresso in studio è calato drasticamente fino a raggiungere lo zero, ma non solo… Avendo addirittura la “folle” accortezza di riaccompagnare fuori garbatamente le poche inviate a perlustrare lo studio, ogni qualvolta arriva la bella stagione, queste intuiscono che la loro presenza non è gradita e interrompono da sole ogni forma di accesso.

Condizioni ideali

Il fenomeno è facilmente aiutato dall’assenza di briciole anche impercettibili (quindi evitando situazioni davanti alle quali non è possibile alcuna forma di comunicazione, in tal caso infatti si annulla ogni amnistia e la ricerca di cibo diventa prioritaria anche davanti all’evidente rischio per la vita), dal lasciare che piccoli ragni tessano le proprie tele nei pressi degli angoli di finestre e portefinestre e dalla pulizia generale del luogo. Inoltre se l’ambiente risulta deumidificato le formiche rinunciano ancor più facilmente alle loro visite in quanto il loro corpo è ricoperto da una patina umida che non deve mai mancare e che invece viene facilmente asportata dalla presenza di polveri come il talco o da deumidificazioni eccessive (che in realtà ledono anche l’organismo umano arrivando persino a disturbare la formazione di saliva nei casi eccessivi).

La memoria collettiva

Ho osservato inoltre, ripetendo l’esperimento negli anni, che la colonia di formiche ha una memoria collettiva compresa tra i due ed i tre anni. Nel senso che tendono a ricordare per circa due estati che l’accesso in studio, anche con le finestre aperte e le gallerie attive, non deve essere effettuato. Allo scadere di questo termine ci riprovano o perché l’informazione è andata persa o perché ritengono di poter provare nuovamente, difficile a dirsi.

Differenze tra la campagna e la città

La prova si è svolta con successo in ambiente di campagna (con risultati analoghi e ripetibili negli anni) ma quando è stata ripetuta in città, è emerso un fare più aggressivo delle formiche metropolitane che non ha permesso la riuscita dell’esperimento (probabilmente per l’ambiente più ostile).

Inaspettata collaborazione

Vedere le formiche sulle soglie di porte e finestre, lì, a un passo, che però non entrano più è una situazione molto curiosa così come è curioso osservare che una volta cercavano di scappare dal foglio di carta con il quale le raccoglievo e adesso, invece, pazientemente salgono da sole come se già sapessero che tanto non accadrà loro nulla. Gagliardo! I rappresentanti del potere non capiscono come stare in pace anche di fronte alle diversità, le formiche sì. E poi dicono che l’uomo sia la specie più intelligente…

Link correlati

Literature
Il fantastico mondo della comunicazione

Formica operaia nell’esercizio delle proprie funzioni…
Con due sue colleghe avevano appena portato via provviste di cibo
(un ragno passato a miglior vita). L’azione si svolge sulla soglia
della finestra del mio studio, soglia che non oltrepassano più in
seguito ai nostri “accordi”. La lunghezza della formica in foto
è di 4 millimetri.

Image’s copyright: Harekrushna Maharana https://www.youtube.com/watch?v=KrQR8h4NKk0

A sinistra i diversi orientamenti magnetici, uniformi solo in precise regioni dette domini. A destra l’orientamento totalmente uniforme indotto da una campo magnetico.

Image’s copyright: www.uic.edu

Image’s copyright: www.uic.edu

Image’s copyright: Harekrushna Maharana
https://www.youtube.com/watch?v=KrQR8h4NKk0

A sinistra i diversi orientamenti magnetici, uniformi solo in
precise regioni dette domini. A destra l’orientamento totalmente
uniforme indotto da una campo magnetico.