Sensori di gas per il monitoraggio ad alta risoluzione spazio-temporale dei gas serra

Come noto da parecchi anni ormai, l'incremento dell'inquinamento atmosferico causato dell'eccessiva produzione di gas ad effetto serra, principalmente CO2 e ossidi di azoto e ozono, sta progressivamente deviando l'attenzione della comunità scientifica ed economica verso sistemi di consumo e di monitoraggio sempre più efficienti. Come dimostrato da studi recenti, le misure restrittive adottate in più paesi per arginare la diffusione della pandemia da COVID-19 hanno avuto un impatto sulla riduzione delle emissioni. Tuttavia, il carattere modesto di questa diminuzione unitamente al graduale ritorno verso una situazione di normalità, non risultano sufficienti per approcciarsi in modo determinante alla più globale crisi climatica [1].

 La seguente proposta di ricerca è focalizzata sul monitoraggio e sul controllo di tale problema. In particolare, il progetto prevede la caratterizzazione e la costruzione di sensori chimici di gas, che permettano di correlare le variazioni chimiche dell'ambiente in cui sono posti con le variazioni di resistenza elettrica dei film sensibili di cui sono composti. Questi sensori dovranno avere un'alta affidabilità e risoluzione spazio-temporale, ossia dovranno essere migliorativi rispetto ai dispositivi attuali [2], dal punto di vista della stabilità (riproducibilità del segnale nel tempo), della sensibilità, della selettività, ma anche dei costi, in modo da poter essere implementati agevolmente in sistemi olfattivi atti alla rilevazione di emissioni clima-alteranti. Per la parte di elaborazione del segnale e degli algoritmi di processamento sarà importante la collaborazione con un’azienda specializzata nella produzione di nasi elettronici con la quale sarà possibile collaborare per quel che riguarda l’attività di ricerca sulla parte hardware-software e sulla progettazione del sistema multisensore finale.

Il progetto di ricerca, sviluppato in un periodo di 36 mesi, può essere diviso essenzialmente in 4 principali attività: 1. Durante i primi mesi saranno acquisite le nozioni teoriche e pratiche di base per potersi approcciare al meglio alla tematica di interesse. Sempre al primo anno, sarà dedicata particolare attenzione anche alla produzione e sintesi dei composti necessari per l'implementazione della sensoristica. Saranno quindi studiate metodologie chimico[1]fisiche per la produzione dei materiali sensibili utili al monitoraggio delle emissioni clima-alteranti [3]. Tali attività saranno coadiuvate e svolte presso l’Università di Ferrara. Durata: dal 1' al 12' mese. 2. I mesi dal 6' al 15' saranno dedicati alla caratterizzazione dei materiali prodotti, in modo da determinare il giusto rapporto fra efficienza e costi. Studiando l'affidabilità, la stabilità, la sensibilità, e l'effetto dell’umidità, saranno scelti solamente i composti più performanti. I sensori prodotti saranno caratterizzati elettricamente in atmosfera controllata per valutare le proprietà di sensing a concentrazioni di interesse dei gas target serra (CO2, CH4, NOx, O3) e inquinanti (SO2, NH3, H2S). Tra la fine del primo anno e l'inizio del secondo, verrà proposto un periodo di ricerca all'estero, al fine di instaurare una collaborazione che permetta l’adozione di un approccio integrato fra la ricerca di materiali di nuova generazione ed algoritmi di processamento dati complessi (discusso al punto successivo). 3. Una volta determinati gli array più performanti fra i materiali sensibili, si procederà allo sviluppo delle tecniche matematiche e computazionali più adatte per lo studio e la deconvoluzione dei segnali elettrici prodotti dai dispositivi. Verosimilmente verso la fine del secondo anno sarà attivato un periodo di stage della durata di 6 mesi in un’azienda esperta nella produzione di sistemi olfattivi. Questo contesto sarà fondamentale per l'apprendimento di metodi matematici di elaborazione dati acquisiti tramite sistemi olfattivi per il riconoscimento di pattern complessi, ad esempio i nasi elettronici. Applicando queste conoscenze alle più moderne tecniche di architetture software e a tecniche di apprendimento automatico (come reti neurali e machine learning) [4], si procederà alla creazione di algoritmi per l’eliminazione degli effetti di deriva, la mitigazione delle fluttuazioni di risposta, la determinazione selettiva e quantitativa di tracce di vari gas, e loro miscele. Durata: dal 13' al 30' mese. 4. La parte finale del progetto (dal 24' al 36') sarà infine dedicata alla costruzione vera e propria di un prototipo di sistema multisensore e/o centraline mobili. Tale prototipo necessiterà quindi di una validazione in ambienti reali opportuni, come le zone urbane o industriali. Per finalizzare l’obiettivo, sarà necessario sviluppare un’interfaccia automatizzata per l’acquisizione, elaborazione, trasmissione e archiviazione di grandi quantità di dati al server.

Come evidenziato dalle attività sopra proposte, lo scopo del progetto è la realizzazione di un sistema multisensore migliorativo rispetto agli standard attuali in termini di performance. Questi saranno formati da film sensibili di nuova generazione depositati su substrati microlavorati. Tali dispositivi saranno utilizzati per il monitoraggio della qualità dell'aria e della presenza di emissioni di gas serra e inquinanti. Tuttavia, è chiaro che una architettura di questo tipo può trovare spazio in vari contesti, anche disparati fra loro, dalla medicina, all'alimentare (qualità e deperimento dei cibi), all’agricoltura. Il processo formativo sarà seguito e controllato sia dall’azienda che dall’università circa l’impegno temporale e lo sviluppo delle attività. Inoltre, i risultati ottenuti durante il percorso saranno presentati ad almeno 2 convegni nazionali/internazionali. Infine, entro la fine dei tre anni si prevede che la ricerca condotta venga concretizzata in almeno 3 pubblicazioni scientifiche su riviste indicizzate, riguardanti i temi della crisi climatica, della sensoristica in generale e del processamento autonomo dei dati (intelligenza artificiale).

Breve bibliografia
[1] Piers M. Forster et al., Current and future global climate impacts resulting from COVID-19, Nature Climate Change, 10 (2020), 913–919, https://doi.org/10.1038/s41558-020-0883-0
[2] Shaobin Feng et al., Review on Smart Gas Sensing Technology, Sensors 2019, 19, 3760; doi:10.3390/s19173760
[3] Kalathur S. V. Santhanam et al., Greenhouse Gas Sensors Fabricated with New Materials for Climatic Usage: A Review, ChemEngineering 2018, 2(3), 38; https://doi.org/10.3390/chemengineering2030038
[4] Denglong Ma et al., Gas recognition method based on the deep learning model of sensor array response map, Sensors & Actuators: B. Chemical 330 (2021) 129349, https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129349

SACMI Imola S.C.

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.5.2. Cambiamento climatico, mitigazione e adattamento
articolazione 5: Metodi e strumenti di contabilità delle emissioni degli agenti clima-alteranti