This thesis analyzes theoretically and computationally the phenomenon of partial ionization of the substitutional dopants in Silicon Carbide at thermal equilibrium. It is based on the solution of the charge neutrality equation and takes into account the following phenomena: several energy levels in the bandgap; Fermi-Dirac statistics for free carriers; screening effects on the dopant ionization energies; the formation of impurity bands. A self-consistent model and a corresponding simulation software have been realized. A preliminary comparison of our calculations with existing experimental results is carried out.

The present work describes the development of a new body-counter system based on HPGe detectors and installed at IVM of KIT. The goal, achieved, was the improvement of the ability to detect internal contaminations in the human body, especially the ones concerning low-energy emitters and multiple nuclides. The development of the system started with the characterisation of detectors purchased for this specific task, with the optimisation of the different desired measurement configurations following and ending with the installation and check of the results. A new software has been developed to handle the new detectors. / Il presente lavoro descrive lo sviluppo del nuovo sistema di conteggio basato su rivelatori HPGe installato presso l'IVM situato al KIT. L'obiettivo, raggiunto, era quello di migliorare la capacità di rilevazione di contaminazioni interne del corpo umano, specialmente di quelle inerenti basse energie e quelle contenenti nuclidi multipli. La progettazione del sistema è stata effettuata ex-novo, a partire dalla caratterizzazione dei rivelatori acquistati per l'uopo, proseguendo con l'ottimizzazione delle diverse configurazioni di misura richieste e terminando con l'installazione e la verifica dei risultati. Parallelamente è stato sviluppato un software per gestire i nuovi rivelatori.

Parallel mechanisms show desirable characteristics such as a large payload to robot weight ratio, considerable stiffness, low inertia and high dynamic performances. In particular, parallel manipulators with fewer than six degrees of freedom have recently attracted researchers’ attention, as their employ may prove valuable in those applications in which a higher mobility is uncalled-for. The attention of this dissertation is focused on translational parallel manipulators (TPMs), that is on parallel manipulators whose output link (platform) is provided with a pure translational motion with respect to the frame. The first part deals with the general problem of the topological synthesis and classification of TPMs, that is it identifies the architectures that TPM legs must possess for the platform to be able to freely translate in space without altering its orientation. The second part studies both constraint and direct singularities of TPMs. In particular, special families of fully-isotropic mechanisms are identified. Such manipulators exhibit outstanding properties, as they are free from singularities and show a constant orthogonal Jacobian matrix throughout their workspace. As a consequence, both the direct and the inverse position problems are linear and the kinematic analysis proves straightforward. / I meccanismi paralleli possiedono caratteristiche vantaggiose, quali un elevato carico pagante rispetto al peso del robot, una considerevole rigidezza, bassa inerzia e alte prestazioni dinamiche. In particolare, i manipolatori paralleli con meno di sei gradi di libertà hanno recentemente attratto l’attenzione dei ricercatori, potendo il loro impiego risultare utile in applicazioni nelle quali non sia necessaria una più alta mobilità. L’oggetto della presente tesi è costituito dai manipolatori paralleli traslanti (TPM), così detti in quanto il proprio membro terminale (piattaforma) esibisce un moto di pura traslazione rispetto al telaio. La prima parte affronta, in termini generali, il problema della sintesi topologica, nonché della classificazione, dei TPM. In particolare, s’individuano le architetture che le gambe di un TPM devono possedere affinché la piattaforma del meccanismo possa traslare liberamente nello spazio senza alterare il proprio orientamento. La seconda parte studia le singolarità dei TPM, tanto quelle di vincolo quanto quelle dirette, e individua speciali famiglie di meccanismi completamente isotropi. Tali manipolatori mostrano proprietà notevoli, in quanto sono privi di singolarità e possiedono una matrice jacobiana ortogonale e costante in tutto lo spazio di lavoro. I problemi di posizione sia diretto che inverso risultano lineari e l’analisi cinematica immediata.

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model).

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

The objective of this thesis was to improve the commercial CFD software Ansys Fluent to obtain a tool able to perform accurate simulations of flow boiling in the slug flow regime. The achievement of a reliable numerical framework allows a better understanding of the bubble and flow dynamics induced by the evaporation and makes possible the prediction of the wall heat transfer trends. In order to save computational time, the flow is modeled with an axisymmetrical formulation. Vapor and liquid phases are treated as incompressible and in laminar flow. By means of a single fluid approach, the flow equations are written as for a single phase flow, but discontinuities at the interface and interfacial effects need to be accounted for and discretized properly. Ansys Fluent provides a Volume Of Fluid technique to advect the interface and to map the discontinuous fluid properties throughout the flow domain. The interfacial effects are dominant in the boiling slug flow and the accuracy of their estimation is fundamental for the reliability of the solver. Self-implemented functions, developed ad-hoc, are introduced within the numerical code to compute the surface tension force and the rates of mass and energy exchange at the interface related to the evaporation. Several validation benchmarks assess the better performances of the improved software. Various adiabatic configurations are simulated in order to test the capability of the numerical framework in modeling actual flows and the comparison with experimental results is very positive. The simulation of a single evaporating bubble underlines the dominant effect on the global heat transfer rate of the local transient heat convection in the liquid after the bubble transit. The simulation of multiple evaporating bubbles flowing in sequence shows that their mutual influence can strongly enhance the heat transfer coefficient, up to twice the single phase flow value. / Questa tesi si è posta l'obiettivo di migliorare il codice commerciale CFD Ansys Fluent, per ottenere un solutore in grado di compiere simulazioni accurate di flussi in ebollizione nel regime slug flow. Un codice numerico affidabile permette una miglior comprensione della dinamica della bolla causata dall'evaporazione, rendendo possibile la stima dello scambio termico alla parete. Per limitare il costo computazionale delle simulazioni, il problema è modellato con una formulazione assialsimmetrica. Le fasi liquido e vapore sono incomprimibili ed in moto laminare. Attraverso un approccio di tipo single fluid, le equazioni che governano il moto sono scritte come per un flusso a fase singola, tuttavia discontinuità ed effetti di interfaccia vanno introdotti e discretizzati propriamente. Fluent dispone di una tecnica di tipo Volume-of-Fluid per l'avvezione dell'interfaccia e per mappare le discontinue proprietà del fluido su tutto il dominio. Nello slug flow gli effetti di interfaccia sono dominanti, di conseguenza l'accuratezza con cui essi sono calcolati è fondamentale per la veridicità del solutore. A tale scopo, sono state introdotte nel codice numerico delle funzioni esterne, sviluppate appositamente per il calcolo della tensione superficiale e dello scambio di massa ed energia all'interfaccia come conseguenza dell'evaporazione. Le migliori prestazioni del codice modificato rispetto a quello originale sono dimostrate attraverso numerosi casi test. Per provare la validità del nuovo codice numerico nella riproduzione di reali configurazioni di flusso, sono stati simulati diversi flussi adiabatici ed il confronto con i risultati sperimentali è molto positivo. La simulazione dell'evaporazione di una bolla singola evidenzia che la convezione transitoria nel liquido, successivamente al passaggio della bolla, ha un effetto dominante sul coefficiente di scambio termico globale. La simulazione di bolle multiple che evaporano in sequenza mostra che la loro influenza reciproca migliora notevolmente il coefficiente di scambio, fino a due volte il valore a fase singola.

Nei processi di progettazione e produzione tramite tecnologie di colata di componenti in alluminio ad elevate prestazioni, risulta fondamentale poter prevedere la presenza e la quantità di difetti correlabili a design non corretti e a determinate condizioni di processo. Fra le difettologie più comuni di un getto in alluminio, le porosità con dimensioni di decine o centinaia di m, note come microporosità, hanno un impatto estremamente negativo sulle caratteristiche meccaniche, sia statiche che a fatica. In questo lavoro, dopo un’adeguata analisi bibliografica, sono state progettate e messe a punto attrezzature e procedure sperimentali che permettessero la produzione di materiale a difettologia e microstruttura differenziata, a partire da condizioni di processo note ed accuratamente misurabili, che riproducessero la variabilità delle stesse nell’ambito della reale produzione di componenti fusi. Tutte le attività di progettazione delle sperimentazioni, sono state coadiuvate dall’ausilio di software di simulazione del processo fusorio che hanno a loro volta beneficiato di tarature e validazioni sperimentali ad hoc. L’apparato sperimentale ha dimostrato la propria efficacia nella produzione di materiale a microstruttura e difettologia differenziata, in maniera robusta e ripetibile. Utilizzando i risultati sperimentali ottenuti, si è svolta la validazione di un modello numerico di previsione delle porosità da ritiro e gas, ritenuto ad oggi allo stato dell’arte e già implementato in alcuni codici commerciali di simulazione del processo fusorio. I risultati numerici e sperimentali, una volta comparati, hanno evidenziato una buona accuratezza del modello numerico nella previsione delle difettologie sia in termini di ordini di grandezza che di gradienti della porosità nei getti realizzati. / The possibility to predict defects in aluminium alloy cast component, from the very beginning of the design and production phases is a crucial issue. Among the most common defects of a casting, microporosities (i.e. porosities with dimension up to hundreds of m) are highly detrimental for mechanical performances. In this work, after an in-depth bibliographic research, experimental casting devices and procedures were designed in order to produce specimen with controlled defects and microstructure, related to process condition which could be varied in the range of the actual ones, measured on the shop floor. The whole design phase of the casting devices and procedure was carried out using process simulation software which were extensively fine tuned through experimental activities. The experiment proved to be effective in producing specimen with controlled defects and microstructure, in a consistent way. Numerical models for the prediction of gas and shrinkage porosity were evaluated in terms of accuracy in the description of all of the phenomena involving nucleation and growth of porosity and possibility of implementation on industrial cases. The one considered at the state of the art underwent a validation process with the experimental data. The comparison of numerical results and experimental data showed a good match, thus the good capability of the model to predict porosity, both in magnitude and trend throughout the casting.

Microsatelliti e nanosatelliti, come ad esempio i Cubesat, sono carenti di sistemi integrati di controllo d’assetto e di manovra orbitale. Lo scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un sistema compatibile con Cubesat di una unità, completo di attuatori magnetici e attuatori meccanici, comprendente tutti i sensori e l’elettronica necessaria per il suo funzionamento, creando un dispositivo totalmente indipendente dal veicolo su cui è installato, capace di funzionare sia autonomamente che ricevendo comandi da terra. Nella tesi sono descritte le campagne di simulazioni numeriche effettuate per validare le scelte tecnologiche effettuate, le fasi di sviluppo dell’elettronica e della meccanica, i test sui prototipi realizzati e il funzionamento del sistema finale. Una integrazione così estrema dei componenti può implicare delle interferenze tra un dispositivo e l’altro, come nel caso dei magnetotorquer e dei magnetometri. Sono stati quindi studiati e valutati gli effetti della loro interazione, verificandone l’entità e la validità del progetto. Poiché i componenti utilizzati sono tutti di basso costo e di derivazione terrestre, è stata effettuata una breve introduzione teorica agli effetti dell’ambiente spaziale sull’elettronica, per poi descrivere un sistema fault-tolerant basato su nuove teorie costruttive. Questo sistema è stato realizzato e testato, verificando così la possibilità di realizzare un controller affidabile e resistente all’ambiente spaziale per il sistema di controllo d’assetto. Sono state infine analizzate alcune possibili versioni avanzate del sistema, delineandone i principali aspetti progettuali, come ad esempio l’integrazione di GPS e l’implementazione di funzioni di determinazione d’assetto sfruttando i sensori presenti a bordo. / Microsatellites and nanosatellites, such as Cubesat, usually lack of integrated orbital maneuver and attitude control systems. The aim of this thesis has been to realize a control system compatible with 1U Cubesat, integrating magnetic control, mechanical actuators and all needed sensors and electronics for their functioning, creating a device fully independent from the hosting spacecraft, capable to both autonomous and ground controlled operations. In this thesis the numerical simulation campaigns to validate the technical choices are described, together with the development of the electronics and mechanical structure, with the prototype tests and the final system characteristics. Such extreme integration may generate interferences between different devices, such as magnetotorquer and magnetometers. These effects have been studied and evaluated, verifying their amplitude and the validity of the design. Since the project is based on off-the-shelf components and ground electronics, after a brief theoretical introduction on space effects on electronic components, a fault-tolerant system based on newly developed theories has been described. This system has been designed, built and tested, verifying the possibility to realize a reliable digital controller for the attitude control system capable to resist to the space environment. Some advance versions of the control system have also been defined, describing the main characteristics, such as an integrated GPS or the implementation of attitude determination functions using the onboard sensors.

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente. / In a context of international interest in sustainable development and energy challenges for the future, DIEM, in collaboration with other research institutes and private companies, is planning the integration of advanced components of a biomass-fired boiler. The final aim is to provide a biomass boiler which produces energy more efficiently and with a reduced environmental impact. The application is initially targeted towards small to medium size boilers (up to 350 kW thermal) view of the prevalence of this type of system. The component is: - Experimental high efficiency filter for particulate removal; - Seebeck effect cells for the production of electrical energy directly from thermal energy without moving mechanical parts; - Ogden pump for the production of mechanical energy directly from thermal energy; The purpose of research is the design of the integration of these devices with a biomass boiler from 290 kW thermal for the realization of a prototype of a stand-alone boiler to reduced environmental impact: in particular, the boiler is able, upon reaching the steady state, toe feed its own electric utilities, to ensure safe operation in case of power failure or to allow the installation of the boiler in remote areas with no connection to the grid. In addition, the boiler can be provided through the use of a steam pump or pump Ogden mechanical energy for pumping fluids: this opportunity is considered particularly interesting for the integration of the boiler in the case of installation in the agricultural field. Finally, the combination of a high efficiency and low cost filter allows the reduction of particulate emissions, by increasing the dissemination of technology without additional impacts on the environment.