Ingegneria Industriale e Civile

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A) Finalità e Obiettivi

L’area strategica “Ingegneria industriale e civile” è un macro settore scientifico che comprende al suo interno la ricerca nei campi del design del prodotto, metodi di costruzione, ingegneria civile, sistemi energetici, ingegneria dei materiali, progettazione del processo e controllo. Con riferimento ai panels ERC, copre i temi di ricerca dell’intero settore PE8 “Products and Processes Engineering”. Il settore manifatturiero è un pilastro fondamentale per il progresso tecnologico e la prosperità economica e sociale dei paesi moderni. L'Italia gioca un ruolo primario in Europa e può contare su risorse uniche per preservare e migliorare la sua competitività. In Italia, il settore manifatturiero comprende 427mila aziende che danno lavoro a circa 4 milioni di persone, generando un fatturato di 871 miliardi di euro e un valore aggiunto di circa 225 miliardi, posizionandosi al sesto posto nella graduatoria mondiale per il peso del settore nell'economia. Va notato che tra le prime dieci regioni manifatturiere europee per numero di dipendenti e numero di aziende, ci sono quattro regioni italiane: Lombardia, Emilia Romagna, Veneto e Piemonte. L'Italia gioca un ruolo primario in Europa e può contare su risorse uniche per preservare e migliorare la sua competitività nel settore manifatturiero, come la sua vocazione industriale, la capacità di creare prodotti che combinano design, tecnologia e personalizzazione grazie alla grande tradizione nei macchinari e nell'automazione. È l’area strategica più grande del DIITET e costituisce un elemento di sintesi multidisciplinare tra l’ingegneria dei prodotti e dei processi, l’ingegneria meccanica, aerospaziale e navale, l’ingegneria energetica, termo‐meccanica e nucleare, l’ingegneria delle infrastrutture e del territorio, l’ingegneria chimica e dei materiali. Le attività condotte dai ricercatori spaziano in ambiti molto eterogenei, contribuendo alla costruzione del rapporto con le aziende e con il sistema pubblico della ricerca tramite la presenza nei Cluster Tecnologici Nazionali, quali Fabbrica intelligente, Trasporti Italia 2020, Blue Growth, Aerospazio), fornendo supporto tecnicoscientifico a grandi gruppi industriali nazionali (Fincantieri, Leonardo, E‐Geos, FIAMM, FCA, ecc.), svolgendo il ruolo di coordinatore di progetti internazionali e garantendo la partecipazione in ambito europeo ad Advisory Group, Public Private Partenership e Joint Programming Initiative.

B) Contenuto Tecnico Scientifico

Le attività tecnico‐scientifiche di quest’area strategica si articolano in 17 aree progettuali, nei sintetici contenuti di seguito presentati, che vedono il coinvolgimento di tutti i 19 Istituti afferenti al Dipartimento e una forza lavoro prevalentemente specializzata in Ingegneria industriale, Ingegneria civile e architettura, Scienze e tecnologie dei materiali, Scienze fisiche, Scienze agrarie. Il quadro complessivo delle aree progettuali afferenti all’area strategica “Ingegneria industriale e civile”, con l’elenco degli Istituti partecipanti, è riportato nella tabella presente nel paragrafo di presentazione delle priorità strategiche.

Analogamente all’area “Informatica”, in quest’area trovano collocazione le ricerche su “Smart City”, con un elenco sintetico che comprende: ‐ l’integrazione di accumulo termico e stoccaggio ibrido con batterie elettriche nella gestione degli edifici; ‐ lo sviluppo di tecnologie fotovoltaiche integrate; ‐ il miglioramento dell'autonomia dei veicoli elettrici ibridi, l'idrogeno a basse emissioni di carbonio, comprese le celle a combustibile; i sistemi di mobilità connessi, cooperativi e automatizzati; ‐ l’analisi dei dati e dei video per applicazioni di sicurezza negli ambienti urbani; ‐ tecnologie e strumenti per distretti energetici positivi e mobilità e logistica a emissioni zero (sistemi di trasporto, flotte e servizi logistici, modelli di previsione del traffico); ‐ l’identificazione e utilizzo di appropriate piattaforme di analisi dei dati che consentono sia l'analisi dei dati storici che l'analisi predittiva; ‐ algoritmi e applicazioni per il turismo e l'uso del patrimonio culturale.

Sul fronte dell’energia, i settori di intervento riguardano la generazione di energia pulita ed efficiente e la fusione termonucleare controllata. L'attività include i processi di conversione energetica ecosostenibile da combustibili fossili, da biomasse/biocombustibili e da rifiuti con l'obiettivo di aumentare l'efficienza energetica, promuovere la cogenerazione, ridurre e monitorare le emissioni inquinanti e climalteranti, aumentare la quota di rinnovabili nella produzione e nei consumi di energia. Il programma di ricerca della Fusione Termonucleare Controllata, in linea con le linee strategiche della Fusion Roadmap Europea, ha come obiettivo sul lungo periodo quello di contribuire alla costruzione di ITER e dei suoi ausiliari (~ 2022), al suo sfruttamento scientifico e agli studi di progetto del prototipo di reattore DEMO (2040).

Sul fronte dei trasporti, i settori di intervento riguardano i sistemi di propulsione e le tecnologie marittime. Per i sistemi di propulsione, le finalità sono riconducibili a due scopi: 1) la conversione e gestione ottimale dell'energia nei sistemi di propulsione e nel miglioramento del loro impatto ambientale in uso reale (ottimizzazione della termofluidodinamica dei motori a combustione per applicazioni al trasporto terrestre, navale ed aereo; sviluppo di tecnologia dei sistemi propulsivi avanzati; ottimizzazione dell'interazione combustibile‐propulsore; valutazione dei fattori di emissione e delle prestazioni dei veicoli; 2) lo sviluppo di tecnologie e processi energetici innovativi a basso impatto ambientale, con particolare riferimento alle tecnologie elettrochimiche per la produzione di energia elettrica, per la produzione, l'accumulo e l'utilizzo di idrogeno; alle tecnologie che sfruttano energie rinnovabili; allo sviluppo di nuovi combustibili puliti e di dispositivi non elettromeccanici per il condizionamento dell'aria per applicazioni nei trasporti terrestri, aerospaziali e navali. Per le tecnologie marittime, la finalità è quella di incrementare la sicurezza e l’efficienza del sistema di trasporto marittimo. In particolare si intendono raggiungere molteplici scopi, in termini di: 1) sicurezza delle unità navali e nautiche; 2) sostenibilità ambientale, puntando su tecnologie che mirino a ridurre ulteriormente l’impatto ambientale in termini di emissioni – in aria e in mare – di inquinamento acustico, di formazione di onde, estendendo gli interventi sul naviglio esistente e preparando l’industria marittima italiana ad affrontare la post hydrocarbon era; 3) ottenimento di livelli di comfort per i passeggeri e qualità di vita a bordo per l’equipaggio; 4) capacità e sicurezza del trasporto marittimo, rendendo operative le potenzialità delle moderne tecniche di weather‐routing, cioè le tecniche di instradamento dei natanti in funzione delle condizioni meteo‐marine che consentono di ottimizzare le rotte navali in modo da permettere una navigazione a costi bassi, con minimi rischi ambientali e garantendo la sicurezza dell'equipaggio, dei passeggeri e del carico; 5) innalzamento della qualità della nave in termini di prestazioni, estetica e sostenibilità ambientale, puntando sulla ricerca nel campo dei materiali, processi e componenti innovativi.

Nei sistemi di produzione, le principali direttrici di sviluppo, tutte a fortissimo carattere di interdisciplinarità, hanno la finalità di: 1) una riqualificazione dei processi produttivi verso tecnologie più efficienti, sicure e sostenibili; 2) un incremento dell'efficienza energetica nello sfruttamento delle risorse primarie non rinnovabili e l'introduzione massiva di risorse rinnovabili; 3) favorire modelli di sviluppo basati su una maggiore integrazione fra tessuto produttivo e sociale attraverso l'adeguamento infrastrutturale; 4) l'integrazione delle competenze interdisciplinari per favorire la "cross fertilization" delle idee innovative fra settori eterogenei; 5) lo sviluppo pervasivo di strumenti di ICT funzionali ai sistemi di produzione, industriali e rurali, ivi inclusa precision farming e smart construction.

Sul fronte delle costruzioni – inteso come interazione tra tecnologie, tecniche di costruzione e materiali – al fine di migliorarne la funzionalità, il livello prestazionale e la sicurezza, l'approccio si sviluppa secondo due principali e parallele direttrici tematiche. Da un lato la complessità tecnologica, che spazia dai materiali, ai componenti, ai sistemi a scala di edificio, fino alla città nel suo insieme. Dall'altro, con la costante esigenza di sinergia operativa di competenze multidisciplinari, sono indagate le problematiche della nuova edificazione e quelle del recupero funzionale del patrimonio costruito esistente e la sua valorizzazione. Tutti obiettivi tecnico‐scientifici ad alto valore aggiunto, in termini economici e sociali, dichiarativamente tesi ad assicurare la trasferibilità dei risultati sia in termini di innovazione tecnologica, sia quale solida base per la definizione di strategie, metodi e strumenti finalizzati alla riqualificazione della città e al miglioramento consapevole della gestione energetica ed ambientale integrata, dunque sostenibile, delle aree metropolitane.

Sul fronte della sensoristica, gli obiettivi sono molteplici. Il primo consiste nello sviluppo e nella validazione, in casi realistici, di tecniche di elaborazione dati basate sulla tomografia a microonde per l'imaging di oggetti e persone in applicazioni non solo di sicurezza fisica, ma anche di diagnostica e monitoraggio del territorio e di diagnostica e terapia medica. A ciò si aggiunge lo sviluppo di sensori distribuiti in fibra ottica per misure di parametri chimico fisici su lunghe distanze e la fabbricazione e caratterizzazione di microsensori ottici ed optofluidici integrati per applicazioni ambientali e biomedicali; lo sviluppo di sensori e di piattaforme robotiche cooperanti in grado di monitorare ed interagire con ambienti operativi complessi.

Sul fronte sviluppo di materiali innovativi e nanotecnologie per processi industriali, applicazioni ambientali, energetiche e biomediche, gli istituti partecipanti hanno sviluppato competenze di alto livello finalizzate alla produzione su scala nanometrica di materiali inorganici, polimerici e ibridi nuovi o avanzati. I contenuti comprendono lo sviluppo di materiali e nanotecnologie per elettronica e magnetismo, dispositivi optoelettronici, sistemi plasmonici, fotonica, nanofluidica, per sensori (bio) e per energia. I materiali elettronici includono nanostrutture per elettronica ad alta potenza, materiali 2D come grafene o dichalcogenides, Qdots, organics, semiconduttori e nanostrutture di ossido funzionalizzato. La nanotecnologia offre alternative radicali per numerosi problemi medici, ad esempio nei contesti di oncologia e biosensori. I materiali spaziano da agenti di contrasto multifunzionali ottici e / o magnetici, in grado di riconoscere sistematicamente le lesioni maligne e abilitarne l'imaging e il trattamento diagnostico, allo sviluppo dell'ingegneria tissutale degli scaffold biocompatibili per la rigenerazione ossea e del tessuto articolare, agli ibridi bio‐mimetici per sistemi elettronici biocompatibili, a dispositivi ottici per valutare l'effetto di nuovi farmaci su singole cellule e soluzioni ibride per il rilascio intracellulare di nano sonde.

Altri temi scientifici dell’area sono: 1. Sistemi per produzione personalizzata (comprendono metodologie innovative per l'analisi e la progettazione del prodotto; strumenti e sistemi di produzione digitale per la progettazione e l'ingegneria computazionale; pianificazione del processo per la produzione additiva; strumenti avanzati per la configurazione e la progettazione di soluzioni personalizzate; tecnologie per la produzione personalizzata ad alto valore aggiunto; mini‐fabbriche, ossia un modello per riorganizzare la catena di produzione e distribuzione); 2. Strategie, metodi e strumenti per la sostenibilità industriale (comprendono metodi, strumenti e KPI, per la sostenibilità delle attività produttive; metodi per l'analisi e il miglioramento della sostenibilità dello stabilimento esteso; soluzioni tecnologiche per migliorare l'efficienza energetica e ridurre gli sprechi; metodi e strumenti integrati per l'eco‐design); 3. Fabbriche orientate alle persone (comprendono dispositivi, sistemi e strategie innovativi per il monitoraggio della sicurezza online; Cyber Physical Systems per la sicurezza nella fabbrica del futuro; dispositivi, strumenti e metodologie di interazione uomo‐computer per gestire le informazioni dipendenti dal contesto negli ambienti di produzione; metodologie per la valutazione e l'ottimizzazione ergonomiche; sistemi e strumenti per l'analisi delle attività dei lavoratori basati su radio frequenze e computer vision per il riconoscimento passivo dei lavoratori nei luoghi di lavoro, per calcolare una stima dell'attività e del comportamento del lavoratore, per il rilevamento di situazioni di pericolo; interfacce multimodali in grado di migliorare l'esperienza dell'utente attraverso vari sensi umani come grafica, voce, gesti, feedback vibrotattile, sguardo, attività cerebrale; dispositivi meccatronici innovativi ‐ hardware, architettura di controllo e sensori ‐ per una cooperazione sicura tra robot e uomo); 4. Sistemi di produzione adattativi ed evolutivi ad alta efficienza (comprendono progettazione e sviluppo di sistemi di controllo avanzati e ottimizzazione in tempo reale per linee e sistemi di produzione, attraverso l'adozione e l'estensione di tecniche di controllo predittive e basate su modelli su architetture distribuite (DMPC), sviluppo di ottimizzazione dinamica in tempo reale (DRTO), tecniche di identificazione dinamica per l'ottimizzazione di sistemi distribuiti e sistemi Cyber Physical Systems (CPS) industriali; sistemi di comunicazione industriale).

Da evidenziare anche gli studi e le ricerche condotte per la fruizione e la salvaguardia dei beni culturali. Tali tematiche sono orientate alla progettazione, implementazione, valutazione e sperimentazione sul campo di tecnologie per la digitalizzazione, l'analisi e la conservazione del patrimonio culturale tangibile e intangibile. In particolare, si tratta di metodologie e tecnologie (HW e SW) per la digitalizzazione delle caratteristiche della forma o delle proprietà materiali / superfici, o per l'analisi diagnostica dello stato di conservazione (digitalizzazione su piccola scala; campionamento sui materiali e sullo stato di conservazione; ispezione assistita da droni). Da citare anche le tecnologie per la digitalizzazione 3D e 2D, per il campionamento e ricostruzione dei beni: forma, colore, caratteristiche di riflessione superficiale, campionamento di bande sia visibili che non visibili (iperspettrale). In tale direzione, le ricerche mirano alla miniaturizzazione di strumenti diagnostici complessi e relativa riduzione dei costi (ad es. tecnologie basate su sistemi di imaging iperspettrale di fluorescenza e riflettanza; progettazione di sistemi basati su campo elettromagnetico a radiofrequenza per la disinfezione senza contatto di artefatti da muffe e licheni). L'attenzione, quindi, è rivolta a come gestire i dati multi‐dimensionali e multi‐sorgente raccolti (set di dati multipli), per supportare l'ispezione e l’analisi visiva, la mappatura e l’archiviazione dei dati, per la simulazione basata su computer, attraverso software in grado di risolvere query di similarità su grandi archivi di dati visivi, query basate su tag e similarità (in base alle caratteristiche della forma), estrazione di descrittori visivi / di forma semanticamente significativi, esplorazione di raccolte di supporti visivi. Da segnalare le ricerche sui sistemi e sulle piattaforme per il rendering interattivo di dati multimodali ad alta risoluzione, sia localmente che sul web, che consentono una facile pubblicazione e fruizione dei beni storici e artistici e lo sviluppo di strumenti con interfacce accessibili a tutti (mappe interattive multimediali, mostre virtuali, gallerie virtuali, audioguide in formato MP3 per i musei, realizzazione di siti web culturali multimediali).

Completano gli ambiti le tecnologie per l’agricoltura sostenibile e la sicurezza del cibo. L'agricoltura sostenibile integra tre obiettivi principali: salute ambientale, redditività economica e equità sociale ed economica. Le tecnologie digitali sono riconosciute come strumenti per aumentare la produttività dell'agricoltura garantendo vantaggi per l'azienda, ridurre l'impatto ambientale, assicurare alimenti più sani e sicuri e garantire un ambiente di lavoro più sicuro. Sensori passivi e attivi, in grado di raccogliere dati a diversi livelli su scala ambientale, di campo, di pianta singola o di frutta, possono fornire informazioni fondamentali per la gestione sostenibile delle colture agricole. Valutazione delle risorse idriche disponibili nel suolo e colture statali di grandi dimensioni (regionali / continentali) e site specific (farm / plant) per migliorare la produttività e ridurre i costi, minimizzando gli impatti ambientali. I sistemi moderni e ancora più avanzati per la raccolta dei dati hanno messo a disposizione una vasta serie di informazioni che possono essere elaborate per prevedere epidemie di parassiti, malattie e condizioni di stress per piante e animali che influiscono sulla quantità o sulla qualità della produzione. Una produzione agricola più competitiva e sostenibile è possibile adottando processi altamente automatizzati incorporati in veicoli, macchinari o processi più efficienti dal punto di vista energetico e più sicuri. Macchine o processi innovativi non sono limitati alla produzione, ma includono la catena di approvvigionamento e la gestione dei rifiuti, dall'agricoltura ai consumatori. Particolare attenzione è rivolta alle tecnologie in grado di aumentare l'igiene e la sicurezza degli alimenti, di estenderne la commestibilità e di mantenere e aumentare gli aspetti nutrizionali, e di riciclare i rifiuti nei processi di produzione agricola.

C) Infrastrutture di Ricerca

Le infrastrutture di ricerca che fanno riferimento ad attività di quest’area sono:

  • MaRINET 2 – una tra le più importanti infrastrutture in ambito europeo dedicata allo sviluppo di tecnologie per la produzione di energia pulita e rinnovabile dagli oceani, nonché allo sviluppo di nuove pratiche di modellazione fisica per i sistemi ORE (Offshore Renewable Energy).
  • EPOS (European Plate Observing System) – una infrastruttura di ricerca ESFRI pan‐europea nel settore delle scienze della terra solida. EPSOS è al momento in fase di implementazione (EPOS IP), che dovrebbe terminare nel 2019. All’interno di EPOS IP, ricercatori DIITET sono responsabili del WP12 “Satellite Data” che sviluppa la componente satellitare di EPOS.
  • Impianto (Neutral Beam Test Facility ‐ NBTF) presso l’area di ricerca CNR di Padova che comprende PRIMA (Padova Research on ITER Megavolt Accelerator), un laboratorio di prova per due esperimenti: MITICA (Megavolt ITER Injector&Concept Advancement), il prototipo in scala reale di ITER, e SPIDER (Fonte per la produzione di ioni di deuterio estratti da Rf plasma) la sorgente di ioni negativi a grandezza naturale (RF).

D) Fonti di Finanziamento

Le aree tematiche e le proposte progettuali afferenti all’area strategica “Ingegneria industriale e civile”, trovano rispondenza nelle aree del programma Horizon 2020 “Leaderischip industriale” (Leadership in Enabling and Industrial Technologies – LEIT) e “Sfide sociali” (Societal Challenges), da cui derivano la maggioranza dei finanziamenti, seguiti dall’utilizzo da fondi nazionali e regionali (PON Ricerca e Competitività e POR regionali), entrate derivanti da contratti con l’industria nazionale, nei settori industriali di riferimento per quest’area (ENI, Fincantieri), nonché con aziende leader (Hyundai, Oshima, Yamaha, E‐Geos, FIAMM SpA, General Motor, Toyota, CnH International, Michelin, Total).

Le attività scientifiche e tecnologiche nell’ambito della fusione termonucleare sono sostenute principalmente dall'EURATOM, tramite l'accordo di finanziamento EUROfusion e dall'agenzia Fusion for Energy (F4E).