Settori di ricerca
Per rispondere ai problemi di approvvigionamento energetico, la ricerca sulla Fusione Termonucleare Controllata si pone l'obiettivo di produrre energia da processi di fusione nucleare e di dimostrare che questa sorgente di energia può essere usata per produrre elettricità in modo sicuro, rispettoso dell'ambiente e con risorse di combustibile abbondanti. Nel DIEE è in corso da diversi anni un'intensa attività di ricerca su argomenti riguardanti lo studio dei sistemi di protezione da eventi anomali e l'analisi e il progetto di nuovi componenti dei reattori per la fusione termonucleare controllata. Il percorso formativo del dottorando di ricerca, inserito in questa attività, prevede una prima fase di acquisizione delle principali conoscenze legate alla fisica del plasma e alle problematiche ingegneristiche che derivano dalla corretta conduzione di una scarica di plasma. Per l'acquisizione di tali competenze si prevede la frequenza dei principali laboratori di ricerca europei con i quali sono da anni in corso collaborazioni scientifiche, oltre che la frequenza di scuole dottorali, e lo studio individuale. In una seconda fase al dottorando sarà assegnato uno specifico tema di ricerca. Bisogna sottolineare che alcuni docenti del Dottorato in Ingegneria Industriale sono da molti anni inseriti nella comunità scientifica internazionale, e partecipano attivamente ai programmi di ricerca finanziati dall'EURATOM, attraverso le associazioni nazionali. A tali programmi partecipano i principali gruppi di ricerca di tutto il mondo, che usufruiscono agevolmente delle facility messe a disposizione nei vari siti sperimentali(JET, ASDEX, FTU, etc.). Si stima che, nei prossimi anni si apriranno, per i giovani formati durante il dottorato, buone prospettive occupazionali, focalizzando la formazione dei giovani in funzione delle nuove competenze richieste dai progetti sulla Fusione Nucleare.

Energia solare
La tecnologia del solare termodinamico conta già numerose realizzazioni in diversi paesi del mondo (Spagna e Stati Uniti soprattutto), con potenze installate per oltre 1000 MWe del mondo. Le attività di ricerca nel settore del solare termodinamico sono tese ad aumentare l'efficienza di captazione del collettore solare, aumentare la temperatura del fluido termovettore per migliorare il rendimento del ciclo termodinamico e ridurre i costi e le problematiche gestionali dell'accumulo termico. Nell'ambito delle attività internazionali di ricerca e sviluppo di questo settore si inserisce anche il progetto italiano "ESTATE-Lab" al quale partecipano CRS4, R.T.M. S.p.a, SAPIO S.r.l., Sardegna Ricerche e l'Università degli Studi di Cagliari. In particolare, il progetto ESTATE-Lab è volto a studiare l'impiego della CO2 ad alta temperatura come fluido termovettore e l'accumulo termico con specifici materiali ceramici solidi a basso costo (sistemi a termoclino). L'attività del dottorando verrà dapprima incentrata sullo sviluppo della modellistica necessaria a valutare le prestazioni energetiche degli impianti solari termodinamici basati su impianti a vapore e cicli combinati, anche attraverso l'integrazione e l'aggiornamento di modelli già a disposizione dell'unità di ricerca. Successivamente, il dottorando valuterà le prestazioni di soluzioni impiantistiche basate su cicli a vapore e cicli combinati di diversa taglia, con e senza integrazione da fonte fossile e accumulo termico, con particolare attenzione agli aspetti economici e di confronto critico fra le diverse soluzioni. Il progetto di formazione del dottorando consentirà di dare risposta alle crescenti esigenze di personale qualificato nel settore del solare termodinamico, in rapida espansione in tutto il mondo e anche in Italia, Sardegna compresa (oltre al citato progetto ESTATE-Lab, aventi come partners industriali RTM e Sapio, oltre che il CRS4, in Sardegna sono attualmente in fase di procedura autorizzativa due impianti solari termodinamici, uno da 50 MW a Macchiareddu del gruppo Sorgenia e un altro da 20 MW ad Ottana del gruppo Clivati). A conclusione del percorso formativo, i dottori di ricerca potranno inserirsi facilmente all'interno delle iniziative in corso in Sardegna, in Italia e in Europa.

Gassificazione di carbone e biomassa
All'interno del DICM un gruppo di ricerca si occupa attivamente dello studio delle problematiche connesse alla gassificazione di carbone e biomassa, nonché ai processi di trattamento del gas di sintesi. Il percorso formativo del dottorando inserito nell'attività descritta dal primo tema consiste nella validazione dei modelli fin qui sviluppati, utilizzando come termine di paragone, i risultati ottenuti dall'esercizio di un impianto sperimentale. L'impianto in questione è ubicato nella Sardegna meridionale presso un centro di ricerca (Sotacarbo) con il quale il nostro gruppo intrattiene rapporti di collaborazione di reciproca utilità. Per la realizzazione di questo lavoro, il dottorando dovrà muoversi in una duplice direzione. Da una parte dovrà condurre l'analisi di una gran quantità di dati sperimentali disponibili per eliminare in via preliminare quelli che non sono adeguati ad essere descritti dal modello. Il dottorando dovrà inoltre apportare al modello tutte le modificazioni che lo rendano maggiormente adatto a descrivere i risultati sperimentali acquisiti. La tecnologia di gassificazione è di grande interesse per tutte le imprese che prevedono di produrre in proprio parte dell'energia utilizzata nel processo, sia come energia termica che come energia elettrica. La gassificazione permette di utilizzare il carbone con un impatto ambientale inferiore rispetto alla combustione diretta: una minore emissione specifica di CO2, ma soprattutto una bassa emissione di composti solforati e un'emissione quasi nulla di particolato. La gassificazione si presta inoltre in modo eccellente all'utilizzo energetico delle biomasse e quindi appare appetibile per le imprese del comparto dell'agricoltura e dell'allevamento.

Sensori software
La necessità dell'industria chimica, di raffinazione e alimentare di conoscere la qualità di prodotti tramite indici di qualità e/o concentrazione offre la possibilità di sviluppare sensori software che, utilizzando tecniche tipiche dell'ICT, permettono di inferire queste grandezze da altre più facilmente misurabili. Il DIMCM è impegnato da diversi anni nello studio e sviluppo di questi sensori software. In particolare, si studiano due diversi tipi di sensori software: strutturati, ovvero basati su modelli a principi primi del processo in esame, e non strutturati, ovvero black-box cioè basati sui dati acquisiti in impianto. Il percorso formativo dell'addottorando, inserito in questa attività, prevede una prima fase di acquisizione delle principali conoscenze legate sia alle tecniche di sviluppo dei sensori software sia all'individuazione di modelli atti a descrivere il processo in modo semplice e sufficientemente accurato. In una seconda fase al dottorando sarà assegnato uno specifico tema di ricerca, ovvero lo sviluppo di un sensore software per un processo di interesse comune tra Università ed Industria. L'addottorando valuterà inoltre la possibilità di utilizzare tecniche di inferenza prettamente non lineari quali il filtro di Kushner. La possibilità di confrontarsi con una realtà industriale, quella quale dell'industria di raffinazione e/o chimica, permetterà all'addottorando di acquisire competenze che gli permetteranno di essere più competitivo nel mondo del lavoro che potrà essere rivenduto anche ad industrie alimentari e/o trattamento delle acque di scarico. E' da sottolineare che la richiesta di ingegneri con buone conoscenze della fisica dei processi e delle tecniche dell'ICT sta crescendo nel mondo industriale ed anche l'industria operante in Sardegna inizia a considerare questa possibilità anche se per ora solo in alcune realtà limitate.

Diagnosi di guasto basata su modelli dinamici (Model based FDI)
L'individuazione precoce di condizioni di anomalia e guasto è considerata come una delle modalità per poter incrementare significativamente l'affidabilità e la sicurezza degli impianti industriali. Il DIEE è inserito in progetti di ricerca nazionale ed internazionale volti a sviluppare tecniche di diagnosi (FD) basate sull'utilizzo di osservatori dinamici che, replicando in parte od in toto, la dinamica del sistema sotto analisi siano in grado di individuare, isolare ed identificare l'insorgenza di condizioni anomale. In particolare la combinazione di tecniche di controllo non lineare e di soft-computing sembra possano incrementare significativamente la sensibilità e la specificità degli algoritmi di diagnosi, rispetto a quelli basati su osservatori lineari e soglie. Lo studente di dottorato inserito in tale filone di ricerca dovrà preliminarmente approfondire le tematiche tipiche dell'ingegneria dei sistemi di controllo, e la conoscenza degli strumenti formali ad essa associati, che saranno fondamentali per lo sviluppo di tecniche di FD innovative. Successivamente verranno individuati sistemi critici per l'industria, quali ad esempio quelli relativi alla produzione di energia, al fine di rendere possibile la interazione tra ambiente accademico e della produzione così che l'esperienza formativa del dottorando non sia limitata agli aspetti speculativi ma piuttosto costituisca un effettivo valore aggiunto per lo sviluppo professionale, anche, e soprattutto, al di fuori dell'ambito accademico. La capacità di associare i modelli dei sistemi fisici con le loro proprietà formali, essenziale per lo sviluppo di sistemi di diagnosi avanzati, costituisce anche una piattaforma di conoscenze e competenze significative per la comprensione dei sistemi produttivi in generale e quindi contribuisce all'incremento della spendibilità delle proprie capacità in vari campi della produzione industriale.

Azionamenti Elettrici per la trazione
Nell'ultimo decennio, si è riscontrato un crescente interesse verso la trazione elettrica stradale da parte sia del mondo della ricerca scientifica sia del comparto produttivo. Ciò è dovuto principalmente alla volontà dei singoli paesi di affrancarsi dalla dipendenza dai combustibili fossili a seguito di numerosi fattori, fra i quali il crescente aumento del loro costo, la delicata situazione politica dei paesi produttori, la diminuzione della loro disponibilità e le problematiche ambientali derivanti dal loro massiccio impiego. Una possibile soluzione a questi problemi è quindi rappresentata dall'utilizzo dei veicoli elettrici (EV) e/o elettrici ibridi (HEV). La gestione energetica dei veicoli EV e HEV è effettuata principalmente mediante convertitori elettronici di potenza, deputati alla gestione dei dispositivi di accumulo a bordo del veicolo (batterie, super capacitori, celle a combustibile, etc.) ed all'alimentazione controllata dei propulsori elettrici (motori asincroni, a riluttanza variabile, sincroni a magneti permanenti, etc.). L'addottorando inserito in questo filone di ricerca dovrà quindi approfondire la conoscenza dei suddetti dispositivi, in particolare i loro principi di funzionamento ed i loro modelli matematici: successivamente, l'obiettivo sarà quello di individuare nuove strategie e/o tecniche di controllo finalizzate al miglioramento delle prestazioni degli azionamenti, sia dal punto di vista energetico sia dal punto di vista dinamico, realizzando, ad esempio, predefinite traiettorie di velocità e/o di coppia, minimizzando i ripple e/o le perdite del sistema, massimizzando il recupero dell'energia in fase di frenatura rigenerativa, compensando opportunamente le variazioni parametriche della macchina e/o gli effetti della modulazione non ideale dei convertitori. Tutto ciò consentirà all'addottorando di maturare conoscenze specifiche in un settore relativamente nuovo ed a forte espansione, favorendone il futuro inserimento nel mondo del lavoro.

Convertitori Elettronici di Potenza
Oggigiorno, il settore dei convertitori elettronici di potenza trae beneficio dalle innovazioni tecnologiche introdotte nei dispositivi di potenza, nell'elettronica di interfacciamento e negli algoritmi di controllo; tali innovazioni determinano infatti una riduzione dei costi e degli ingombri, un miglioramento dell'affidabilità e delle prestazioni complessive dei convertitori stessi (energetiche e/o dinamiche), nonché la riduzione dell'inquinamento elettromagnetico prodotto da tali dispositivi, cioè dei disturbi generati dal convertitore sia nei confronti della sorgente di alimentazione (disturbi condotti) sia nei confronti dell'ambiente circostante (disturbi radiati). L'addottorando inserito in tale filone di ricerca dovrà quindi maturare un'adeguata conoscenza dei principi di funzionamento e dei modelli matematici dei convertitori elettronici di potenza, con particolare riferimento alle più recenti e promettenti configurazioni proposte in letteratura. Successivamente, l'obiettivo prefissato è quello di sviluppare opportune strategie di controllo al fine di migliorare il funzionamento dei convertitori in termini di prestazioni, efficienza energetica e/o di emissioni elettromagnetiche, suggerendone eventualmente alcune modifiche circuitali. In particolare, i test di compatibilità elettromagnetica saranno eseguiti all'interno della camera semi-anecoica sita nel Laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica del DIEE, la quale consentirà di svolgere le prove di emissione ed immunità in accordo con quanto prescritto dalle vigenti normative EMC. Dato che tali normative impongono vincoli piuttosto restrittivi alla realizzazione di tali dispositivi, pregiudicandone in alcuni casi l'utilizzo e la conseguente commercializzazione, l'esperienza maturata dall'addottorando in questo settore comporterà buone potenzialità in termini di ricaduta occupazionale.

Cristallizzazione
I processi di cristallizzazione sono ampiamente usati per la separazione solido-liquido nell'industria di processo, farmaceutica ed alimentare. In particolare, tale tecnica è utilizzata con lo scopo di separare il prodotto finale dal solvente e di ottenere la morfologia e la distribuzione dei cristalli richiesta dalle specifiche del prodotto. In genere, la variabile più importante del processo è la dimensione del cristallo, poiché essa influenza l'efficienza dei processi a valle, quali il filtraggio e l'asportazione dell'acqua dal prodotto finale, e inoltre determina il rateo di dissoluzione e la biodisponilibilità (nel caso di farmici o prodotti alimentari). Un approccio alternativo ed originale per caratterizzare i sistemi poli-dispersi, in particolare per quanto riguarda il valore medio e la distribuzione di probabilità, può essere un approccio di tipo statistico, con l'introduzione di equazioni di tipo Fokker-Planck (FPE): si rinuncia ad una descrizione delle dinamiche microscopiche del processo, che sono invece approssimate in modo fenomenologico come un processo di tipo diffusivo. In questo modo è possibile gestire modelli matematici relativamente semplici. La FPE si pone quindi come una metodologia innovativa rispetto ai bilanci di popolazione sino ad oggi utilizzati. Lo studio di sistemi di cristallizzazione e la loro modellazione, al fine di descrivere l'evoluzione dei cristalli nel tempo con lo scopo ultimo di realizzare un sistema di monitoraggio e controllo, utilizzando l'equazione di Fokker-Planck costituisce l'obiettivo dell'addottorando. Grazie alla collaborazione esistente con la Louisiana State University (USA), l'addottorando sarà inserito in un gruppo di ricerca internazionale che le permetterà di acquisire quelle conoscenze che le permetteranno un più facile collocamento nel mondo del lavoro.

Sviluppo di catalizzatori per celle solari
In questo progetto formativo il dottorando verrà impegnato sull'applicazione delle tecniche elettrochimiche per realizzazione di catalizzatori per celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC). L'efficacia dei processi fotocatalitici che sfruttano la radiazione solare è dettata in larga misura sia dalla capacità del materiale semiconduttore utilizzato di assorbire la luce nella banda del visibile, che dalla sua capacità di evitare la ricombinazione delle cariche foto-generate. L'attività sperimentale del dottorando sarà rivolta all'ottenimento di strutture ordinate di nanotubi a base di TiO2 che verranno poi sensibilizzate con colorante. La sensibilizzazione sarà effettuata elettrochimicamente, con un approccio layer-by-layer che comporterà l'innesto elettrochimico di un precursore sulla superficie dell'ossido, seguito dalla modifica chimica delle molecole innestate. Le proprietà elettrochimiche dei materiali saranno studiate sia in assenza che in presenza di radiazione luminosa a diverse lunghezze d'onda. Lo studio sarà fatto mediante tecniche elettrochimiche in corrente continua o alternata (spettroscopie d'impedenza elettrochimica (EIS)). Le tecniche DC saranno utilizzate anche per caratterizzare il ricoprimento del TiO2 con organici. I test EIS, completeranno la caratterizzazione del TiO2 fornendo informazioni sulla struttura elettronica e l'attività elettrochimica. La partecipazione a scuole di dottorato, quale quella tenuta annualmente a livello europeo su specifici argomenti di ingegneria elettrochimica (European Summer School on Electrochemical Engineering) come pure a periodi di formazione presso istituti di ricerca e trasferimento tecnologico all'avanguardia a livello Europeo nel settore specifico della catalisi e fotoelettrocatalisi, consentiranno al dottorando di completare la sua preparazione e di acquisire le competenze nel settore specifico.

Modellazione di sistemi infinito dimensionali
Molti processi industriali sono caratterizzati da modelli dinamici a parametri distribuiti rappresentabili mediante equazioni differenziali alle derivate parziali. Tali sistemi risultano essere infinito dimensionali e pertanto è necessaria lo sviluppo di opportune tecniche di discretizzazione che consentano di rappresentare in modo adeguato il comportamento di tali sistemi con un numero finito di variabili di stato; le più conosciute sono quelle basate sulle differenze finite e sulla espansione modale. Recentemente è stato mostrato che diversi processi di diffusione, ad esempio la propagazione del calore in una barra metallica riscaldata ad una estremità, possono essere efficacemente rappresentati mediante equazioni differenziali lineari di ordine non intero. Tale classe di equazioni differenziali è stata formalizzata già nel XVII secolo da Leibenitz, tuttavia solo qualche decade fa è iniziato uno studio più approfondito dei sistemi dinamici rappresentati da sistemi di equazioni differenziali di ordine non intero per fini direttamente connessi al controllo ed alla ottimizzazione dei processi industriali. Il DIEE è attivo in tale ambito anche con il progetto "PRIN 2009 - Controllo ed osservazione dello stato per sistemi di ordine non intero in presenza di disturbi ed incertezze di modello" finanziato dal MIUR per il periodo Ottobre 2011/Ottobre 13. Un obiettivo della ricerca attualmente in corso è quello di applicare tecniche di controllo non lineare a sistemi di ordine non intero per la realizzazione di controllori ed osservatori che siano in grado di migliorare le prestazioni di sistemi dinamici a parametri distribuiti, nonché di permettere la diagnosi di guasto con tecniche model-based. Un aspetto applicativo di particolare interesse per le ricadute in ambito industriale è relativo allo sviluppo di tecniche numeriche che permettano la implementazione di controllori e modelli di ordine non intero nei sistemi di controllo e supervisione commerciale quali PLC e DCS.