Archivio ottobre 2010

Nuovi materiali nanostrutturati per aumentare l’efficienza dei convertitori termoelettrici.

Sopra: Immagine al microscopio a scansione elettronica del materiale. Sotto: Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio della maglia nanometrica. Le bande colorate mostrano le differenze di temperatura sul materiale: la banda rossa rappresenta la zona più calda, quella blu la zona più fredda.

Tutto ciò che abbiamo intorno (il computer, una lampadina, noi stessi…) produce calore. Il calore è energia in movimento: energia che viene sprecata. Con un dispositivo termoelettrico, che converte il calore in elettricità e viceversa, è possibile sfruttare l’energia che altrimenti andrebbe perduta. Gli odierni dispositivi non sono però abbastanza efficienti e sono realizzati con materiali rari (quindi costosi) e dannosi per l’ambiente.

I ricercatori del Caltech (California Institute of Technology) hanno recentemente realizzato nuovi materiali che possono incrementare l’efficienza dei dispositivi termoelettrici. Sono riusciti a dimostrare l’incremento di prestazioni utilizzando il silicio, ma affermano che le nuove tecnologie sviluppate possono migliorare le prestazioni anche di altri materiali.

Una differenza di temperatura tra due punti ha come conseguenza l’instaurarsi di un flusso di energia termica dal punto caldo al punto freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico. Questo flusso di calore può essere sfruttato per raccogliere energia riutilizzabile. Il processo di estrazione dell’energia dallo scambio di calore è governato dalle leggi della termodinamica. Per questo motivo, la massima efficienza (il rapporto tra il lavoro utile estratto e il calore in ingresso) è rappresentata dal limite di Carnot, che è molto basso se lo scambio di calore avviene tra punti con piccola differenza di temperatura. Il limite di Carnot rappresenta il limite massimo teorico, ma i dispositivi reali di conversione lavorano molto al di sotto di questo limite. Di conseguenza, a causa della bassa efficienza, è necessaria una grande quantità di calore trasferita per raccogliere una quantità di energia che, ad esempio, sia sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici.

L’utilizzo di TEG (ThermoElectric Generetor) non è né nuovo né recente: basti pensare che sono da tempo largamente impiegati per il recupero di energia da sorgenti termiche radioattive nei satelliti spaziali. I TEG hanno recentemente destato rinnovato interesse per la generazione di energia per dispositivi elettronici e sensori, tra gli altri, in campo automotive. Gli attuali sforzi della ricerca sono finalizzati a ottimizzare l’efficienza di conversione attraverso il miglioramento delle proprietà dei materiali. A questo fine è necessario garantire alta conducibilità elettrica, per abbassare la resistenza interna, e contemporaneamente bassa conducibilità termica, per mantenere il gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono tipicamente inconciliabili nei materiali tradizionali che, se sono dei buoni conduttori elettrici, sono anche buoni conduttori termici. Di recente sono stati sperimentati materiali nanostrutturati che mirano a raddoppiare l’efficienza rispetto ai dispositivi realizzati con materiali tradizionali.

Come detto in precedenza, i materiali con buone caratteristiche di conducibilità sono contemporaneamente buoni conduttori sia di elettricità che di calore. L’idea degli scienziati del Caltech, guidati dal professore di chimica James Heath, è stata quella di separare la relazione tra conducibilità termica ed elettrica, progettando un nuovo materiale in silicio su scala nanometrica. In realtà il silicio è un cattivo materiale termoelettrico a temperatura ambiente, ma i ricercatori sono riusciti a ridurre in modo significativo la conducibilità termica dei fili nanometrici di silicio senza ridurre in modo apprezzabile la loro conducibilità elettrica.

La struttura nanometrica a maglia (nanomesh), costituita da fili di silicio allineati verticalmente, permette di rallentare i fononi, ovvero i pacchetti quantizzati di vibrazioni che causano il trasferimento di energia termica da un punto all’altro del materiale. La principale conseguenza del rallentamento dei fononi, dimostrata da successivi esperimenti, è che la conducibilità termica del nuovo materiale diventa 10 volte minore rispetto a quella degli altri dispositivi termoelettrici in silicio realizzati precedentemente, mentre il valore della conducibilità elettrica rimane pressoché costante.

I generatori di potenza termoelettrica presentano il vantaggio di poter essere interamente realizzati con dispositivi a stato solido (quindi senza parti meccaniche di movimento), che assicurano una lunga durata (circa 20 anni) ed elevata affidabilità. Sono inoltre insensibili ad interferenze elettromagnetiche, non dipendono da vibrazioni e tollerano anche le condizioni ambientali più estreme. Questi numerosi vantaggi li rendono molto interessanti nei più disparati ambiti applicativi.

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La nuova geografia dell’innovazione globale: l’Asia supera l’Europa nelle spese in R&S

Goldman Sachs ha recentemente pubblicato un report in cui vengono delineati i più recenti trend della performance innovativa dei diversi paesi a livello mondiale. I principali finding della ricerca suggeriscono possibili stravolgimenti futuri nell’assetto globale per quanto concerne l’innovazione tecnologica.

Mentre gli Stati Uniti e il Giappone rimangono leader mondiali nell’innovazione, la crescente concorrenza da parte dei mercati in crescita, in particolare la Cina, contribuisce a delineare un panorama in costante evoluzione. Le spese in ricerca e sviluppo in Asia hanno superato i livelli dell’UE nel 2005, ed è probabile che superino i livelli degli Stati Uniti nel prossimi cinque anni, grazie soprattutto ad una crescita impressionante della R&S in Cina.

Misure dell’ intensità di R&S, o degli investimenti in R & S in percentuale del PIL, consentono di effettuare comparazioni tra i diversi paesi per quanto riguarda lo sforzo in R&S. L’intensità di R&S è rimasta stagnante in tutti i mercati del G7durante l’ultimo decennio, a quota 2,1%. In Cina, tale cifra è raddoppiata in percentuale al PIL negli ultimi 10 anni, passando raggiungendo l’1,5%, un valore comunque ancora basso rispetto agli standard internazionali.

Gli investimenti in R&S sono guidati in gran parte dal settore delle imprese, che finanzia più dei due terzi del totale di spesa in R&S in molti paesi. Le aziende in una vasta gamma di settori, dal farmaceutico alla tecnologia hardware, possono beneficiare dell’accesso ai nuovi hub di innovazione a livello globale.

Tra le considerazioni conclusive del rapporto, vale la pena citare quella secondo cui, a breve termine, la crescita della produttività attraverso l’innovazione nei paesi del G7 richiederà sempre più politiche pubbliche in grado di attrarre e trattenere studenti stranieri e lavoratori qualificati, mentre, a lungo termine, sarà necessario effettuare investimenti nell’educazione scientifica (ambito, questo, che vede purtroppo l’Italia in posizione arretrata rispetto agli altri paesi industrializzati) e nella creazione di posti di lavoro altamente qualificati e basati sulla conoscenza.

Per scaricare il rapporto: http://www2.goldmansachs.com/ideas/global-markets-institute/featured-research/innovation.html

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In Norvegia debutta la cella a combustibile economica alimentata a diesel

Prototipi di SAFC realizzati da SAFCell

Prototipi di celle a combustibile SAFC realizzati da SAFCell (Credits: SAFCell)

L’azienda norvegese Nordic Power System sta sviluppando un generatore diesel particolarmente efficiente e silenzioso, il quale utilizza un nuovo tipo di celle a combustibile per produrre energia elettrica. Per la costruzione del proprio generatore l’azienda ha testato e impiegato con successo una cella a combustibile da 250 W di tipo SAFC (Solid Acid Fuel Cell) prodotta da SAFCell, uno spin-off del Caltech (California Institute of Technology). Le due aziende attualmente stanno lavorando per realizzare insieme un sistema da 1,2 kW, che potrebbe essere utilizzato su larga scala per la cogenerazione domestica ed industriale.

I primi prototipi di celle a combustibile di tipo SAFC sono stati sviluppati circa dieci anni fa: si tratta di una tecnologia ancora in fase di sviluppo, ma che potrebbe in breve tempo diventare una realtà commerciale nel campo della produzione di energia elettrica, in quanto si tratta di dispositivi di costruzione semplice e i cui componenti essenziali (ad esempio gli elettrodi) posso essere realizzati a partire da materiali relativamente economici. Tra i fattori che limitano ancora l’impiego delle Fuel Cell, rendendole di fatto convenienti sono per applicazioni di nicchia (come ad esempio i gruppi di continuità), vi sono, infatti, il loro costo elevato e la difficoltà di reperire o produrre idrogeno con sufficiente grado di purezza.

I nuovi generatori elettrici sviluppati da Nordic Power System producono l’idrogeno gassoso direttamente dal diesel attraverso un processo di steam reforming: il combustibile viene riscaldato, ma non bruciato, e successivamente mescolato con aria e vapor d’acqua, in modo da produrre idrogeno utilizzabile direttamente nella cella a combustibile senza ulteriori processi di purificazione. Le SAFC infatti riescono a  tollerare un notevole grado di impurità nell’idrogeno, e in particolare non risentono della presenza degli elevati tenori di monossido di carbonio tipicamente prodotti dal reforming del diesel, risultando quindi ideali per questo tipo di generatore.

Le SAFC contengono al loro interno acidi solidi (es. CsHSO4), una classe di materiali scoperta nei primi anni ’80 e in grado di condurre gli ioni idrogeno (ovvero i protoni), caratteristica che ne rende teoricamente possibile l’impiego nelle celle a combustibile. Gli acidi solidi, tuttavia, fino a poco tempo fa erano ritenuti inutilizzabili nelle Fuel Cell a causa della loro tendenza a dissolversi nell’acqua, naturale prodotto di reazione tra l’idrogeno e l’ossigeno presenti all’interno del dispositivo. Gli scienziati della Caltech hanno trovato recentemente una soluzione molto semplice ed efficace a questo problema, che consiste nel far lavorare la SAFC ad una temperatura di esercizio non eccessivamente elevata, ma abbastanza alta da trasformare l’acqua in vapore (250°C), il quale non è in grado di dissolvere gli acidi solidi.

L’impiego di queste celle a combustibile potrebbe quindi risolvere un problema cruciale per la diffusione delle Fuel Cell, ovvero la richiesta di alte temperature di esercizio in presenza di impurità dell’idrogeno. Per esempio le Fuel Cell di tipo PEM (Polymer Electrolyte Membrane), già utilizzate nell’industria automotive, e convenienti per le basse temperature impiegate (circa 90°C), risultano molto sensibili alla presenza di impurità nell’idrogeno gassoso, il che ne rende impossibile il funzionamento con idrogeno prodotto direttamente per reforming dal gas naturale o da altri  combustibili come appunto il diesel, senza ulteriori costosi processi di purificazione. In virtù delle basse temperature impiegate, le SAFC risultano inoltre più economiche anche delle celle a combustibile di tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), le quali vengono utilizzate con successo in applicazioni stazionare di grande potenza perché possono tollerare un elevato livello di impurezza dell’idrogeno, ma che operano a 800-1000°C e richiedono quindi l’impiego di materiali costosi, idonei a resistere a queste temperature.

Le Fuel Cell di tipo SAFC, una volta entrate nella fase di commercializzazione, grazie alle economie di scala e all’ottimizzazione di nuovi catalizzatori a basso impiego di platino, potrebbero diventare competitive con numerose altre tecnologie per la produzione energetica. Gli scienziati che studiano questa tecnologia ritengono che essa possa, in tempi rapidi, addirittura arrivare a sostituire le turbine attualmente utilizzate nelle centrali elettriche ad alta efficienza.

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Metodologie e strumenti per il Requirements Engineering (Parte 1)

Una buona percentuale del rischio di insuccesso nel lancio di nuovi prodotti sul mercato è imputabile ad una gestione non organica e razionale dei requisiti. Questi, definiti come una traduzione di bisogni, limiti e condizioni degli stakeholder, pur essendo espressi in linguaggio naturale, devono essere in grado di descrivere in modo corretto e formalizzato il dominio del problema ed evolvere in modo parallelo agli studi di progetto lungo il ciclo di sviluppo del nuovo prodotto.

L’utilizzo di strumenti software di supporto ai sistemi di requirement engineering è ad oggi la soluzione più adatta alla necessità incombente di organizzazione di tali processi. Allo scopo di valutare l’impatto che l’utilizzo dei tool in questione può avere sull’intera attività di progettazione, è stata effettuata un’indagine volta all’analisi critica delle best practice aziendali, nell’ambito della gestione dei requisiti, di alcune imprese leader dell’Emilia Romagna e soci di Crit Research (SCM Group, Tetra Pak Packaging Solutions, IMA Spa e CNH Agricolture).

L’indagine si è prefissata di chiarire se la gestione dei requisiti fosse supportata da un processo organizzato e, nel caso ciò non fosse, quali barriere di ingresso ne hanno ostacolato l’utilizzo. In particolare le domande si sono concentrate sul determinare come il problema fosse sentito dalle aziende e quali fossero le metodologie, le procedure, le risorse umane e gli strumenti eventualmente impiegati per supportare l’intero processo di requirement engineering.

Alla luce delle risposte fornite si è evinto che tutte le imprese coinvolte, seppur in modo diverso, ritenessero la gestione dei requisiti di progettazione un fattore critico per il successo aziendale ed è risultata evidente la necessità di ottimizzare la programmazione, l’organizzazione e la gestione del processo di definizione dei requisiti e delle sue evoluzioni nel tempo, soprattutto in presenza di casi di customizzazione di prodotto spinta. I problemi maggiormente riscontrati nei processi di requirement engineering analizzati, più che essere legati alla cattiva e non formale definizione dei requisiti o ad errori, ad ambiguità e a disturbi nella redazione della documentazione tecnica o all’incompatibilità tra la dimensione commerciale e quella tecnica, riguardano piuttosto la sfera gestionale e amministrativa dei progetti, legata all’esigenza di reperire, registrare e pianificare le attività di requirement e le loro evoluzioni all’interno del ciclo di sviluppo dei nuovi prodotti. Il mancato aggiornamento delle informazioni, la scarsa rintracciabilità dei dati e la non piena condivisione dei risultati, può manifestare nel tempo gravi danni al raggiungimento degli scopi prefissati, oltre che tradursi in perdite di tempo e tardive diagnostiche di problemi ed ostacoli.

I tool software di supporto si rivelano, ad oggi, una delle migliori soluzioni che è possibile apportare ai casi descritti.

Questa indagine è stata svolta dall’Ing. Gabriella Perrozzi in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bologna.

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Processi di forgiatura: la forgiatura orbitale

I processi di forgiatura o formatura per deformazione noti ed applicati industrialmente sono numerosi e classificabili secondo diversi criteri: la temperatura (deformazioni a freddo, a caldo, …), il tipo/livello di finitura, la forma e le dimensioni del pezzo, la tipologia di stampo, il differente tipo di processo (forgiatura incrementale, rivettatura, coniatura, ecc.).

Fra le diverse tipologie di processi di forgiatura, poniamo l’attenzione sulla cosiddetta forgiatura orbitale: essa si differenzia dai processi tradizionali per la presenza di un’inclinazione ad angolo α tra l’asse dello stampo superiore e quello dello stampo inferiore, e la presenza di un movimento rotatorio tra i due.

Rappresentazione schematica delle fasi del processo di forgiatura orbitale

Rappresentazione schematica delle fasi del processo di forgiatura orbitale

Esistono fondamentalmente tre tipi di meccanismi cinematici alla base del funzionamento di presse per forgiatura orbitale:

  • nel primo processo la rotazione è affidata allo stampo inferiore e la traslazione a quello superiore inclinato
  • nel secondo traslazione e rotazione sono presenti sul solo stampo superiore
  • nel terzo la rotazione è superiore e la traslazione inferiore.

La scelta del tipo di macchina può essere determinata da diversi parametri, ma generalmente è preferibile non fare eseguire ad un singolo stampo movimenti troppo complessi, per limitare effetti negativi sull’accuratezza nell’esecuzione dell’operazione di forgiatura.
Per quasta ragione, il cinematismo prevalentemente utilizzato è il terzo, nel quale la rotazione dello stampo superiore garantisce uniformità di carico mentre il movimento traslatorio è affidato allo stampo inferiore, che non ruota. Va comunque tenuto in considerazione il fatto che problemi di bilanciamento delle forze, a causa dell’eccentricità del carico prodotto, sono comuni a tutte e tre le tipologie di processo sopraccitato.

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Quali strumenti per il Knowledge Management?

Fig.1: La piramide della conoscenza

In un articolo di questo blog  pubblicato qualche settimana fa abbiamo parlato di Knowledge Management e, in particolar modo,   di come dovrebbe essere interpretato questo concetto in ambito aziendale.

Ora parlaremo degli strumenti che vengono utilizzati per gestire la conoscenza. Prima di tutto è bene partire proprio dal concetto di conoscenza.

La figura mostra la “Piramide della conoscenza” nella quale sono rappresentati quattro livelli:

  • Dati: la materia prima dell’informazione, disponibile in grosse quantità e in continua crescita;
  • Informazione: dati selezionati e organizzati per essere comunicati.
  • Conoscenza: informazione rielaborata e applicata alla pratica. Si tratta di conoscenza esplicita che quindi potrebbe essere creata e condivisa dall’intera organizzazione;
  • Saggezza: è il vertice della piramide ed è costituita dalla conoscenza distillata dall’intuizione e dall’esperienza. Si tratta di conoscenza tacita posseduta dal singolo.

Gestire la conoscenza vuol dire produrla, archiviarla, renderla disponibile per favorirne diffusione all’interno dell’organizzazione, e infine usare al meglio la conoscenza positiva e le best practices.

Fig.2: Ciclo dell'informazione

In un’azienda il ruolo dell’IT è fondamentale per gestire tutti i processi di KM e a tale scopo negli anni si sono sviluppati sistemi sempre più complessi e performanti (KMS – Knowledge Management Systems). I KMS sono sistemi software che supportano le fasi del ciclo dell’informazione e la comunicazione all’interno di una comunità di pratica (ad esempio un’azienda). I sistemi ad oggi disponibili sono molteplici e sempre più spesso integrano moduli per gestire tutto il flusso dell’informazione, dalla creazione dei singoli dati all’interno di un processo fino alla loro elaborazione ed analisi per ottenere informazioni strategiche  con l’ausilio di strumenti di Business Intelligence.

Fino a poco tempo fa, le aziende si sono concentrate sul processo di gestione della conoscenza esplicita e, di conseguenza, anche i software a supporto hanno seguito questo trend. Ultimamente però si fa sempre più forte il problema della gestione della conoscenza tacita, della conoscenza intangibile dei singoli costituita da esperienze, relazioni sociali, modo di operare, ecc. Supponiamo di sostituire tutte le persone di un’azienda con altrettante persone di uguale preparazione tecnica, l’azienda si fermerebbe per una totale mancanza di conoscenza operativa.

Per ovviare a questo sono nati molti strumenti social e collaborativi che, seppur diversi tra loro, hanno in comune l’obiettivo di promuovere le conversazioni e lo scambio tra le persone consentendo a queste di regolare il flusso di informazioni e coglierne solo le parti essenziali. È fondamentale comprendere come uno scambio di informazioni facile e veloce tra persone che lavorano assieme può migliorare l’efficienza di qualunque azienda, promuovendo le relazioni sociali, aiutando a sviluppare fiducia e rendendo le persone consce delle proprie capacità, tutti elementi chiave per la gestione e lo sviluppo di un’azienda.

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2º Summit europeo sull’innovazione: “Affrontare le grandi sfide – La politica incontra la pratica”

Segnaliamo che dall’11 al 14 ottobre 2010 si svolgerà a Bruxelles (Belgio) il 2º Summit europeo sull’innovazione, “Tackling the Grand Challenges – Policy meets Practice”. Il vertice, che si terrà al Parlamento europeo, verterà su come l’innovazione può contribuire a plasmare il futuro dell’Europa. Il suo scopo è quello di rendere le questioni relative alla conoscenza e all’innovazione la principale priorità dei responsabili delle politiche europee.
Il vertice è anche un’occasione per incontrarsi e discutere il ruolo dell’innovazione in settori quali l’efficienza energetica, la mobilità urbana e regionale, la sostenibilità della sicurezza alimentare e dell’agricoltura, l’invecchiamento sano e la produzione sostenibile. Il futuro dei diritti di proprietà nel mercato unico e la cooperazione internazionale nell’innovazione sono alcuni dei temi all’ordine del giorno.
Tra le presenze confermate ci sono membri del Parlamento europeo, la Commissione europea e scienziati rinomati come il premio Nobel Peter Grünberg.

Per maggiori informazioni: Knowledge4Innovation

Articolo originale: Cordis Europa

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