POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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Sensorialita' negli spazi educativi: il ruolo di colore, materiali e percezione nell'esperienza didattica
No full textLAUREA MAGISTRALEPercepire correttamente gli ambienti in cui trascorriamo gran parte del nostro tempo quotidianamente influisce direttamente sul nostro benessere fisico e psicologico. In questi termini, gli spazi educativi hanno la necessità e il dovere di adattarsi alle nuove esigenze sia da un punto di vista didattico-metodologico, sia a supporto di chi ne fruisce quotidianamente. La qualità percettiva di un ambiente, sebbene sia spesso semplificata a una mera interpretazione degli stimoli visivi, rappresenta un sistema complesso, influenzato da molteplici fattori multisensoriali e personali tra cui svolgono un ruolo determinante anche colore, matericità e caratteristiche sensoriali. Oltre a un impatto estetico e funzionale, questi aspetti possono influenzare emozioni, comportamento e performance degli studenti.
Per comprendere come una progettazione consapevole di queste componenti possa influire sull’esperienza didattica, sono stati approfonditi i principi teorici della percezione. In particolare, sono stati indagati i processi cognitivi legati alla visione e alla sensorialità, oltre al ruolo del colore nella costruzione dell’esperienza spaziale.
A conclusione dell’analisi teorica e delle strategie individuate, lo studio si traduce in una proposta progettuale applicata all’interno dell’edificio B2 del Politecnico di Bovisa.Properly perceiving the environments where we spend most of our daily lives directly affects our physical and psychological well-being. In this regard, educational spaces must evolve to meet new didactic and methodological needs while ensuring comfort for those using them regularly. Although the perceptive quality of an environment is often reduced to a simple interpretation of visual stimuli, it represents a complex system, influenced by multiple multi-sensorial and personal factors. Elements such as color, materiality, and sensorial characteristics play a crucial role, not only in shaping the aesthetic and functional aspects of a space but also in influencing students' emotions, behavior, and performance.
In order to understand how a conscious design of these components can influence the learning experience, perceptual theoretical principles have been explored. Specifically, this thesis investigates the cognitive processes related to vision and sensoriality, as well as the role of colour in the construction of spatial experience.
Building on the theoretical analysis and the identified strategies, the study concludes with a design proposal applied within the Bovisa Politecnico building B2
Synthesis of magnetic al-based metal-organic framework (Fe3O4@Al-MOF) for capture of PFAS in the treatment of wastewater
No full textLAUREA MAGISTRALEI framework metallo-organici magnetici a base di alluminio (Fe3O4@Al-MOFs) sono oggetto di studio come materiali adsorbenti avanzati per la rimozione dell’acido perfluoroottanoico (PFOA), una sostanza per- e polifluoroalchilica (PFAS) ampiamente rilevata nelle acque contaminate. In questo studio, forme microparticellari di MMOF sono state sintetizzate seguendo i principi della chimica verde, al fine di ridurre al minimo l’impatto ambientale.
La sintesi è stata condotta tramite metodi solvotermici e solvent-free, utilizzando tre differenti ligandi: acido tereftalico (H2BDC), acido ammino-tereftalico (NH2BDC) e acido tetrafluoro-tereftalico (F4BDC), in combinazione con solventi quali etanolo, acqua e DMF.
Le proprietà strutturali e chimiche dei materiali sono state confermate tramite PXRD per la cristallinità, SEM EDS e TEM per la morfologia e la distribuzione elementare, FTIR per i gruppi funzionali e BET per l’area superficiale. I risultati hanno confermato con successo la formazione dei materiali ibridi e la loro funzionalizzazione magnetica. Le prestazioni di adsorbimento sono state valutate mediante test a tempo fisso e cinetici, nonché attraverso esperimenti di adsorbimento–desorbimento su più cicli. Le analisi PXRD
e SEM post-ciclo sono state utilizzate per valutare la stabilità strutturale. I risultati hanno dimostrato che la sintesi solvotermica in etanolo, in particolare con H2BDC, ha prodotto l’adsorbente più promettente, raggiungendo un’efficienza di rimozione del PFOA pari al 99.8% in un singolo ciclo di adsorbimento da una concentrazione iniziale di PFOA di 108 μg/L. Nonostante la relativa bassa cristallinità, la porosità, l’area superficiale accessibile e i difetti giocano un ruolo critico nell’efficienza di adsorbimento. Inoltre, questo materiale ha mostrato una promettente riusabilità per dieci cicli di adsorbimento, sebbene sia stata
osservata una progressiva diminuzione delle prestazioni. È stata raggiunta un’efficienza di rigenerazione dell’82.9%, evidenziando la sua buona riusabilità e il potenziale per un recupero efficiente delle prestazioni di adsorbimento. Anche il campione fluorurato sintetizzato tramite un approccio privo di solventi ha dimostrato un’eccellente efficienza di adsorbimento (95.7%) ed è risultato essere il più sostenibile dal punto di vista ambientale tra i metodi testati. Al contrario, l’MMOF funzionalizzato con gruppi amminici in etanolo
ha mostrato prestazioni di adsorbimento inferiori (76.9%).
Questi risultati evidenziano l’importanza della scelta di solvente, legante e metodo di sintesi nella progettazione di MMOF per la rimozione dei PFAS. In particolare, le sintesi in etanolo offrono un approccio pratico e scalabile per applicazioni efficaci nel trattamento delle acque.Magnetic aluminum-based metal-organic frameworks (Fe3O4@Al-MOFs) are being explored as advanced adsorbent materials for the removal of perfluorooctanoic acid (PFOA), a widely detected per- and polyfluoroalkyl substance (PFAS) in contaminated water. In this study, microparticle forms of Magnetic metal-organic frameworks (MMOFs) were synthesized using green chemistry principles to minimize environmental impact. The synthesis was carried out via solvothermal and solvent-free methods, using three different
ligands: terephthalic acid (H2BDC), amino-terephthalic acid (NH2BDC), and tetrafluoroterephthalic
acid (F4BDC), in combination with solvents such as ethanol, water, and DMF. The structural and chemical properties of the materials were confirmed using PXRD for crystallinity, SEM-EDS and TEM for morphology and elemental distribution, FTIR-ATR for functional groups, and BET for surface area. The results confirmed the successful formation of the hybrid materials and their magnetic functionalization.
Adsorption performance was evaluated through fixed-time and kinetic tests, as well as multi-cycle adsorption–desorption experiments. Post-cycle PXRD and SEM analysis were used to assess structural stability. The results demonstrated that the ethanol-based solvothermal synthesis, particularly with H2BDC, yielded the most promising adsorbent, achieving a PFOA removal efficiency of 99.8% within a single adsorption cycle from a initial PFOA concentration of 108 μg/L. Despite its relatively low crystallinity, the porosity, accessible surface area, and defects play a critical role in adsorption efficiency. Furthermore, this material exhibited promising reusability over ten adsorption cycles, although a progressive decrease in performance was observed. A regeneration efficiency of 82.9% was achieved, highlighting its promising reusability and the potential for efficient recovery of adsorption performance. The fluorinated sample synthesized via a solvent-free approach also demonstrated excellent adsorption efficiency (95.7%) and was the most environmentally sustainable among the tested methods. In contrast, the amino-functionalized MMOF in ethanol showed lower adsorption performance (76.9%).
These findings underscore the importance of selecting the appropriate solvent, ligand, and synthesis route in designing MMOFs for PFAS remediation. In particular, ethanol-based syntheses offer a practical and scalable pathway for effective water treatment applications
Water and migration: the nexus between water availability for food and livestock production, hydroclimatic changes, and environmental migration
No full textDOTTORATOWater is an essential natural resource for establishing and sustaining life, ecosystems, and economic development on earth. Despite humankind's rapid development and technological achievements, millions still lack access to food, energy, and water, and climate change exacerbates the pressure on limited natural resources. As a result, water governance is increasingly recognized as a critical factor in mitigating human-water problems and their socio-political consequences, including forced migration. When water access and quality deteriorate due to mismanagement or inadequate governance, communities may face heightened displacement risks, particularly in regions already grappling with environmental stressors like droughts, water scarcity, and food insecurity. Our study in the following chapters explores the nexus between water resources availability for food and livestock production, hydroclimatic changes, and environmental migration through a socio-hydrological framework that could be used to inform future water governance approaches addressing complex, multilayered and multicausal human-water problems focusing on East Africa. Communities in East Africa have been quite resilient against changes in rainfall patterns. However, when these changes spread to activate exacerbating factors, a holistic view of environmental drivers and their regional interactions is necessary. Our study focused on the crop and livestock production sectors to understand how water limitations associated with drought, agricultural water scarcity, and the consequent food insecurity can relate to environmental migration patterns. The nexus between these indicators and environmental migrations in the region plays an important role in shaping the response of farmers and agropastoralist communities, which account for roughly 80% of the population, to either adapt to the changing environment or depart. Environmental threats to shelter, livelihoods, and food security are often considered push factors for intra-African human migration. Research in this field is often fragmented into a myriad of case studies on specific subregions or events, thus preventing a more comprehensive understanding of the phenomenon. Our research begins with an introductory chapter overviewing some work on water governance and human-water problems. It focuses on the multidimensionality of water’s nature in shaping sustainable development in all sectors by analyzing influential actors working to solve the problems for the past two decades. Then, we proceed to more specific works on the relationship between hydroclimatic changes and migration across a broader study area, Sub-Saharan Africa, and close examination of East Africa for specific mechanisms by which hydroclimatic factors influence migration trends in Somalia and Ethiopia. Despite the growing interest in environmental migrations observed in scholarly literature and the media, the nexus between hydroclimatic drivers and human displacement, conclusive empirical evidence of the relationship remains poorly investigated, particularly concerning the need for more comprehensive data and analyses to understand the specific mechanisms by which environmental factors influence migration decisions and patterns. Furthermore, the following chapters investigate the spatial interaction between the three indicators of the scarcity of water that highly influence East Africa's food and livestock production and primary internal displacement reasons: drought, agricultural water scarcity, and food insecurity. We draw insights from various sources of ground data from our study countries and combine them with remotely sensed climate data, multiple rounds of surveys on environmental migrants and internally displaced people, and socioeconomic development pathways (SSPs) from the Regional Climate Model. We used metanalysis, Qualitative Comparative Analysis, statistical correlation, multivariate spatial autocorrelation and clustering method, and agrohydrological and Persistence Index models to disentangle the complex multicausal phenomena of environmental migration and examine the multifaceted challenges posed by slow onset hydroclimatic extremes on environmental migration by taking account of the time lag of events exhibited before the people feel their effect. Understanding and predicting societal difficulties during global hydroclimatic and environmental changes is crucial, as well as the degree of susceptibility and the societal resilience to adapt and mitigate these changes. Therefore, in the end, we leveraged the above-mentioned methodological approaches to anticipate high-risk regions susceptible to future environmental migration or internal displacement based on climate change (RCP) and development scenarios (SSP). The results across these chapters show that the complex web of causal links are the main drivers of environmental migration in Sub-Saharan Africa, while individual extreme or slow-onset events with high intensity and severity are very critical migration inducers. However, non-environmental underlying factors play a significant role by exposing the population to cumulative environmental changes and hindering their resilience. Multivariate spatial analysis and clustering provide the co-occurrence of scarcity of water indicators is found to be a statistically significant indicator and predictor of human displacement in the region. These results demonstrate that understanding and identifying areas prone to environmental migration flux depend highly on a cumulative driver approach that accounts for the persistence effect (slow onset events) rather than individual drivers. Overall, the research highlights that addressing the multifaceted layers of environmental migration drivers in East Africa requires integrating climate change and migration into policies across critical sectors like agriculture, water, livestock, forestry, and infrastructure to support adaptation.Water is an essential natural resource for establishing and sustaining life, ecosystems, and economic development on earth. Despite humankind's rapid development and technological achievements, millions still lack access to food, energy, and water, and climate change exacerbates the pressure on limited natural resources. As a result, water governance is increasingly recognized as a critical factor in mitigating human-water problems and their socio-political consequences, including forced migration. When water access and quality deteriorate due to mismanagement or inadequate governance, communities may face heightened displacement risks, particularly in regions already grappling with environmental stressors like droughts, water scarcity, and food insecurity. Our study in the following chapters explores the nexus between water resources availability for food and livestock production, hydroclimatic changes, and environmental migration through a socio-hydrological framework that could be used to inform future water governance approaches addressing complex, multilayered and multicausal human-water problems focusing on East Africa. Communities in East Africa have been quite resilient against changes in rainfall patterns. However, when these changes spread to activate exacerbating factors, a holistic view of environmental drivers and their regional interactions is necessary. Our study focused on the crop and livestock production sectors to understand how water limitations associated with drought, agricultural water scarcity, and the consequent food insecurity can relate to environmental migration patterns. The nexus between these indicators and environmental migrations in the region plays an important role in shaping the response of farmers and agropastoralist communities, which account for roughly 80% of the population, to either adapt to the changing environment or depart. Environmental threats to shelter, livelihoods, and food security are often considered push factors for intra-African human migration. Research in this field is often fragmented into a myriad of case studies on specific subregions or events, thus preventing a more comprehensive understanding of the phenomenon. Our research begins with an introductory chapter overviewing some work on water governance and human-water problems. It focuses on the multidimensionality of water’s nature in shaping sustainable development in all sectors by analyzing influential actors working to solve the problems for the past two decades. Then, we proceed to more specific works on the relationship between hydroclimatic changes and migration across a broader study area, Sub-Saharan Africa, and close examination of East Africa for specific mechanisms by which hydroclimatic factors influence migration trends in Somalia and Ethiopia. Despite the growing interest in environmental migrations observed in scholarly literature and the media, the nexus between hydroclimatic drivers and human displacement, conclusive empirical evidence of the relationship remains poorly investigated, particularly concerning the need for more comprehensive data and analyses to understand the specific mechanisms by which environmental factors influence migration decisions and patterns. Furthermore, the following chapters investigate the spatial interaction between the three indicators of the scarcity of water that highly influence East Africa's food and livestock production and primary internal displacement reasons: drought, agricultural water scarcity, and food insecurity. We draw insights from various sources of ground data from our study countries and combine them with remotely sensed climate data, multiple rounds of surveys on environmental migrants and internally displaced people, and socioeconomic development pathways (SSPs) from the Regional Climate Model. We used metanalysis, Qualitative Comparative Analysis, statistical correlation, multivariate spatial autocorrelation and clustering method, and agrohydrological and Persistence Index models to disentangle the complex multicausal phenomena of environmental migration and examine the multifaceted challenges posed by slow onset hydroclimatic extremes on environmental migration by taking account of the time lag of events exhibited before the people feel their effect. Understanding and predicting societal difficulties during global hydroclimatic and environmental changes is crucial, as well as the degree of susceptibility and the societal resilience to adapt and mitigate these changes. Therefore, in the end, we leveraged the above-mentioned methodological approaches to anticipate high-risk regions susceptible to future environmental migration or internal displacement based on climate change (RCP) and development scenarios (SSP). The results across these chapters show that the complex web of causal links are the main drivers of environmental migration in Sub-Saharan Africa, while individual extreme or slow-onset events with high intensity and severity are very critical migration inducers. However, non-environmental underlying factors play a significant role by exposing the population to cumulative environmental changes and hindering their resilience. Multivariate spatial analysis and clustering provide the co-occurrence of scarcity of water indicators is found to be a statistically significant indicator and predictor of human displacement in the region. These results demonstrate that understanding and identifying areas prone to environmental migration flux depend highly on a cumulative driver approach that accounts for the persistence effect (slow onset events) rather than individual drivers. Overall, the research highlights that addressing the multifaceted layers of environmental migration drivers in East Africa requires integrating climate change and migration into policies across critical sectors like agriculture, water, livestock, forestry, and infrastructure to support adaptation.DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALEWater Science and Engineering36RULLI, MARIA CRISTINARIVA, MONIC
Grounds and roofs : morphology and technique for an architectural design facing the climate crisis
No full textDOTTORATOLa tesi “Grounds and roofs. Morphology and technique for an architectural design facing the climate crisis” studia come le nature-based solutions influenzino le condizioni morfologiche delle superfici orizzontali, concentrandosi in particolare sul progetto del suolo e delle coperture.
Le nature-based solutions innescano le riflessioni critiche della dissertazione, che indaga i loro impatti all'interno del progetto architettonico. Queste sono definite quali strategie di adattamento e mitigazione, le quali sono sempre più adottate per affrontare l’urgente tema della crisi climatica, in particolare rispetto agli impatti dei rischi climatici legati all’ambiente costruito.
La ricerca si propone quindi di individuare la rilevanza delle figure morfo-tipologiche per concepire progetti efficaci che ripensino l’equilibrio tra naturalità e mineralità nelle aree urbane. Tale azione mira a migliorare l’abitabilità climatica dei frammenti urbani, localizzati in contesti particolarmente vulnerabili ed esposti alle fragilità climatiche.
Per farlo, la tesi di dottorato studia la relazione tra l’uso di specifiche nature-based solutions e la morfologia del progetto, affrontando il ruolo delle superfici orizzontali come elementi tipologici direttamente connessi alla riduzione del rischio climatico. Questo va così ad esplicitare una serie di strutture morfologiche che incidono sull’implementazione delle nature-based solutions. Ogni forma di implementazione è direttamente collegata a un rischio climatico specifico, producendo una riflessione progettuale tra impatto qualitativo e quantitativo sullo spazio.
Per raggiungere questo obiettivo, la tesi si articola in tre parti principali. La prima si concentra sulle vulnerabilità climatiche e sulla definizione delle nature-based solutions come strumento di progetto, identificando la vegetazione come agente primario di trasformazione, e individuando alla scala intermedia l’estensione critica in cui riconoscere un impatto misurabile sui rischi climatici.
La seconda parte evidenzia le ambiguità legate all’utilizzo delle nature-based solutions, che hanno trasformato la vegetazione in un atto puramente estetico oppure, al contrario, in una risposta tecnocratica alle fragilità climatiche ma priva di profondità culturale. Da qui nasce la necessità di individuare una genealogia delle nature-based solutions legata alle superfici orizzontali del progetto. Si stabilisce così un dialogo con alcuni progetti del Moderno, permettendo una sintesi dei possibili punti di continuità e discontinuità culturale.
Infine, l’ultima parte della ricerca si concentra sul presente, presentando alcuni progetti in Europa in cui il progetto e l’azione climatica hanno prodotto modificazioni morfo-tipologiche, bilanciando efficienza tecnica e pensiero progettuale.
L’analisi dei progetti è arricchita dallo studio degli operatori che supportano il processo progettuale, evidenziando una metodologia complessa in cui la sintesi di forme spaziali precise può orientare le decisioni progettuali in risposta a specifici rischi climatici.
Concentrandosi sulla trasformazione del progetto, è stato considerato essenziale un approccio fortemente orientato all’osservazione della pratica progettuale. Oltre all’indagine teorico-bibliografica, la ricerca si basa su un’analisi approfondita di casi studio e progetti. Questo ha permesso di strutturare una prospettiva capace di individuare temi spaziali ricorrenti legati alle nature-based solutions.
Attraverso il ridisegno e la schematizzazione di questi progetti, la ricerca propone una posizione critica sul progetto, evidenziando la necessità di rifocalizzare il dibattito contemporaneo sul tema del piano orizzontale della città, inteso come la dimensione fisica su cui il progetto può misurarsi nel ristabilire relazioni spaziali e cura del territorio. In questi termini, il piano orizzontale si rivela come uno spazio d’azione privilegiato, considerato nel suo spessore e nella sua complessità, per rigenerare i tessuti urbani in risposta alle fragilità climatiche, definendo così un rinnovato valore morfologico del suolo e dei coronamenti.The thesis, Grounds and Roofs. Morphology and Technique for an Architectural Design Facing the Climate Crisis studies how nature-based solutions impact the morphological conditions of horizontal surfaces, focusing on ground and roof design.
Nature-based solutions induce the critical reflections of the dissertation, which looks at their impacts on architectural projects. Nature-based solutions are strategies of adaptation and mitigation increasingly implemented to cope with the urgent theme of the climate crisis, explicitly concerning the impacts of climate risks on the built environment.
Therefore, the research aims to identify the relevance of morpho-typological figures to conceive effective projects that rethink the balance between naturality and minerality in urban areas. This action enhances the climate habitability of urban fragments, located in areas particularly vulnerable to climate fragilities.
To do so, the contribution studies the relationship between the usage of nature-based solutions and the project morphology, addressing horizontal surfaces’ role as typological elements directly connected to climate-risk reduction. In this sense, the research makes explicit a series of morphological structures that impact the implementation of nature-based solutions. Each form of implementation is directly connected to a specific climate risk, producing a design reflection between qualitative and quantitative impact on space.
To achieve this goal the thesis unfolds into three main parts. The first focuses on climatic vulnerabilities and the definition of nature-based solutions as a design tool, which identifies vegetation as the primary agent of transformation. The intermediate scale, between the single building and the neighborhood, is identified as a critical extension in which to recognize a measurable impact on climatic risks.
The second part highlights nature-based solutions’ ambiguities and “design streams” that have turned vegetation into a purely aesthetical act or, on the other, as technocratic fixes to cope with climate fragility but lacking a cultural depth. From here, the need arises to identify a genealogy of nature-based solutions related to the horizontal surfaces of design. A dialogue is established with selected modernist projects, allowing for a synthesis of possible points of cultural continuity and discontinuity.
Finally, the last part of the research focuses on the present, showcasing some European projects where design and climate action have produced morpho-typological modifications, balancing technical efficiency and design thinking.
The projects’ analysis is enriched by the study of the operators supporting the design process, highlighting a complex design methodology where the synthesis of precise spatial forms can guide project decisions in response to specific climatic risks.
Focusing on the project’s transformation, an approach strongly oriented towards the observation of design practice has been considered essential. Aside from the theoretical-bibliographic investigation, the research is based on an in-depth analysis of case studies and projects. This has opened the possibility of structuring a perspective that identifies recurring spatial themes connected with nature-based solutions.
Through the redesigning and schematization of these projects, the research proposes a critical position on the project, identifying the need to re-focus the contemporary debate on the theme of the horizontal level of the city, where this is assumed as the physical dimension on which the project can measure itself in re-establishing spatial relations and care for the territory. In these terms, the horizontal level reveals a privileged action space, considered in its thickness and complexity, for regenerating urban fabrics in response to climate fragilities, thus defining a renewed morphological value of grounds and crownings.DIPARTIMENTO DI ARCHITETTURA E STUDI URBANI36null, nullPROTASONI, SAR
Numerical modeling of ocular growth: insights into keratoconus and scleral development
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi presenta lo sviluppo di un framework numerico per la simulazione della crescita volumetrica dei tessuti oculari, con l'obiettivo di modellare sia lo sviluppo fisiologico dell’occhio sia la progressione patologica del cheratocono. È stato adottato un approccio agli elementi finiti per simulare la risposta meccanica e il rimodellamento guidato dalla crescita, includendo geometrie e proprietà materiali paziente-specifiche.
È stata utilizzata la decomposizione moltiplicativa del gradiente di deformazione F nei suoi componenti elastico Fe e di crescita Fg, adatta alla modellazione dei tessuti biologici molli.
Nel caso del cheratocono, è stato implementato un modello di crescita corneale basato su un tensore di crescita anisotropo Fg combinato con un algoritmo di degradazione progressiva delle proprietà meccaniche dello stroma. Questo meccanismo ha permesso di simulare il progressivo bulging e assottigliamento della cornea. Il modello è stato calibrato su dati clinici longitudinali raccolti in un arco temporale di 11 anni, comprendenti mappe di curvatura e profili pachimetrici. La validazione è avvenuta confrontando mappe di curvatura tangenziale, indici di Belin e l’evoluzione dello spessore minimo, mostrando una buona coerenza in termini di gravità e morfologia spaziale.
Parallelamente, è stato modellato lo sviluppo fisiologico dell’occhio dai 3 ai 20 anni, assumendo una cornea di dimensioni costanti e una sclera in espansione secondo una legge di crescita sigmoidea. Sono stati adottati comportamenti materiali distinti per cornea e sclera, coerentemente con le loro differenze anatomiche. Il modello è stato calibrato per replicare l’andamento della lunghezza assiale riportato in letteratura.
Il lavoro proposto si dimostra efficace nel simulare fenomeni complessi di rimodellamento oculare nel tempo, con potenziale applicazione nella modellazione personalizzata di patologie oculari.This thesis presents the development of a numerical framework for simulating volumetric growth in ocular tissues, focusing on both physiological eye development and the pathological progression of keratoconus. A finite element approach was adopted to model the mechanical response and growth-driven remodeling of the eye, incorporating patient-specific geometries and material properties.
The simulations rely on the multiplicative decomposition of the deformation gradient F into an elastic part Fe and a growth part Fg, a method well suited for modeling soft biological tissues.
For the keratoconus case, an anisotropic growth tensor Fg was combined with a degradation algorithm that progressively reduced the mechanical properties of the stroma. This dual mechanism enabled the simulation of cone-shaped bulging and thinning, reproducing key features of the disease. The model was calibrated using clinical data from an 11-year patient follow-up, including curvature maps and pachymetry profiles. Validation was carried out by comparing tangential curvature maps, Belin indices, and minimum thickness trends between simulations and clinical observations, showing strong agreement in both severity and spatial distribution.
In parallel, a second growth model was developed to simulate physiological eye development from age 3 to 20. The cornea was assumed to maintain constant dimensions, while the sclera underwent volumetric expansion governed by a sigmoidal growth law. Different material behaviors were assigned to the cornea and sclera, reflecting their distinct anatomical and biomechanical properties. The model was calibrated to reproduce axial length trends reported in the literature, achieving good consistency with reference data.
The proposed framework demonstrates the ability to simulate complex, time-dependent remodeling phenomena in ocular tissues and highlights the flexibility of growth algorithms to adapt to both pathological and physiological scenarios
Free-space optical communication link using quantum cascade laser
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi si concentra sulla progettazione, produzione, caratterizzazione e sviluppo di un
collegamento di comunicazione ottica nello spazio libero nell'infrarosso medio operante intorno
a 10 [micrometri] con un bitrate di 2 Gigabit per secondo su un percorso di propagazione di 800 metri utilizzando la
modulazione diretta della corrente laser a cascata quantistica.
Il trasmettitore (un laser a cascata quantica), il ricevitore (un rivelatore al tellururo di mercurio e
cadmio) e un laser verde vengono utilizzati per allineare il fascio MIR nel prototipo del sistema
FSO. La tecnica di generazione di frequenza differenziale (DFG) produce impulsi di luce
ultracorti di circa 150 fs di circa 10 [micrometri] per caratterizzare il ricevitore MIR. Il ricevitore MIR ha
una larghezza di banda elettrica di 1,2 gigahertz misurata. Un generatore di segnale fino a 6 gigahertz è
stato utilizzato per fornire una caratterizzazione completa del trasmettitore MIR, che funziona a
9,7 [micrometri] con una potenza di uscita massima di 90 megawatt. Inoltre, il ricevitore MIR è stato collegato
a un analizzatore di spettro elettrico per misurare la sua risposta. La larghezza di banda della
modulazione diretta del trasmettitore MIR è in particolare evidenziata. La larghezza di banda
della modulazione diretta del trasmettitore MIR è anche caratterizzata.
Si dovrebbero prendere in considerazione ulteriori sviluppi per migliorare le caratteristiche dei
componenti e soddisfare le aspettative di 10 Gigabit per secondo su 800 metri, poiché questa ricerca mostra che
l'attuale tecnologia a 10 [micrometri] è difficile da utilizzare per raggiungere velocità di trasmissione dati
superiori a 1 Gigabit per secondo su 1 km con questi componenti commerciali.This thesis focuses on the design, realization, characterization and development of mid-Infrared
free-space optical communication link operating around 10 [micrometer] utilizing direct modulation of
quantum cascade laser`s current aiming for 2 Gigabit for second bitrate over an 800 meter propagation path.
FSO system prototype includes the transmitter (Quantum Cascade laser), the receiver (Mercury
Cadmium Telluride detector), and a Green laser used for alignment the MIR beam. The MIR
receiver is characterized using ultrashort light pulses <150 fs around 10 [micrometer] generated by
Difference Frequency Generation (DFG) technique. The measured MIR receiver`s electrical
bandwidth is 1.2 gigahertz. The full characterization of the MIR transmitter operating at 9.7[micrometer] with a
maximum output power 90 megawatt is also reported using a signal generator up to 6 gigahertz, and its
response was measured with the MIR receiver connected to electrical spectrum analyzer. In
particular, the bandwidth of the direct modulation of the MIR transmitter is also characterized.
This research shows that current technology at 10 [micrometer] is challenging to achieve data rate higher
than 1 Gigabit for second over 1 km with these commercial components, so further development should be
taken into consideration to enhance component characteristics to meet expectations of 10 Gigabit for second
over 800 meters
Deployment strategy and preliminary cost analysis for a lunar nuclear power system
No full textLAUREA MAGISTRALENell'ambito del rinnovato sforzo internazionale per tornare sulla Luna e stabilire una presenza umana a lungo termine, garantire un sistema di alimentazione di superficie affidabile è una sfida fondamentale. Questa tesi esplora la strategia di implementazione di un sistema energetico a fissione collocato sulla superficie lunare, in grado di fornire una potenza continua di almeno 50 kilowatt elettrici (kWe). Il sistema si basa su un reattore a heat-pipe sul modello Kilopower, riprogettato per utilizzare combustibile HALEU e pensato in tre configurazioni: 50, 100 e 200 kilowatt termici (kWth). Sono state analizzate sei combinazioni di questi reattori per soddisfare la soglia di potenza richiesta.
In primo luogo viene valutata la logistica della missione . Ariane 64 è stato scelto come lanciatore primario, con Vulcan Centaur come backup. Sono state valutate le performance e le caratteristiche di un veicolo cargo (space tug), utile per trasferire il payload all'orbita NRHO del Gateway, considerando tre diverse traiettorie e ipotizzando una propulsione bi-propellente immagazzinabile. Viene discussa anche la fattibilità dell'atterraggio del sistema utilizzando le varianti cargo HLS della NASA o il lander Argonaut dell'ESA.
Per ridurre il numero di lanci, vengono proposte diverse strategie di modularità, modellate come un "bin-packing problem" e risolte con un algoritmo First-Fit Decreasing. I risultati sono confrontati con le ipotesi di lancio del reattore completo, per identificare le configurazioni più efficienti dal punto di vista della massa.
Infine, viene eseguita un'analisi preliminare dei costi, con un metodo per analogia, utilizzando uno studio della NASA su un reattore con caratteristiche simili. Il costo per kWe viene usato come parametro per scalare i risultati. Ciò consente di stimare il costo totale del sistema per ogni configurazione.
Una discussione finale evidenzia le opzioni più promettenti in termini di logistica, costi e bilanciamento dei rischi.As part of the renewed international effort to return to the Moon and establish a long-term human presence, ensuring a reliable surface power system is a fundamental challenge. This thesis explores the deployment strategy of a fission-based lunar surface power system capable of supplying a continuous output of at least 50 electric kilowatt (kWe). The system is based on a Kilopower-like heat-pipe reactor, redesigned to use HALEU fuel and scaled to three configurations: 50, 100, and 200 thermal kilowatt (kWth). Six combinations of these reactors are analysed to meet the required power threshold.
A detailed assessment of mission logistics is carried out. Ariane 64 is selected as the primary European launcher, with Vulcan Centaur as backup. A preliminary design of a lunar transfer vehicle (space tug) is developed to deliver the payload to the Gateway's NRHO orbit, evaluating three different trajectories and assuming storable bi-propellant propulsion. The feasibility of landing the system using NASA’s Human Landing System (HLS) cargo variants or ESA’s Argonaut lander is also discussed.
To reduce the number of launches, different modularity strategies are proposed and modelled as a bin-packing problem, solved using a First-Fit Decreasing algorithm. The results are compared with the full-reactor launch approach to identify mass-efficient configurations.
Finally, a preliminary cost analysis is performed by analogy with a NASA study on a reactor with similar features, using the cost-per-kWe as a scaling parameter. This enables an estimation of the total system cost for each configuration. A final discussion highlights the most promising options in terms of logistics, cost, and risk balance
An investigation into the factors impacting supplier-supplier relationships through the lens of social capital
No full textLAUREA MAGISTRALELa complessità delle supply chains globali e il crescente bisogno di coordinamento tra gli attori hanno messo in evidenza l’importanza della collaborazione inter-organizzativa. Mentre la gran parte della letteratura esistente si sia concentrata sulle relazioni acquirente–fornitore, questa tesi esplora il campo relativamente trascurato delle relazioni tra fornitori (supplier–supplier relationships, SSRs). Al fine di valutare queste relazioni e comprendere come siano percepite nel mondo della produzione industriale, il modello teorico adottato per l’analisi è principalmente quello del capitale sociale (social capital theory). Considerando la combinazione dei fattori individuati, questa tesi si propone di indagare: Quali sono, secondo i fornitori, i principali fattori che influenzano le relazioni tra fornitori, e in che modo questi fattori incidono su tali relazioni attraverso le lenti del capitale sociale? Per colmare questa lacuna nella letteratura e rispondere alla domanda di ricerca, lo studio adotta un approccio a casi multipli basato su interviste semi-strutturate con sei aziende attive in diversi settori industriali e in differenti aree geografiche. Attraverso una metodologia di codifica induttiva, l’analisi ha permesso di fare emergere temi rilevanti interpretati secondo la teoria del capitale sociale. I risultati identificano fattori chiave—come le caratteristiche dei progetti, i vincoli industriali e il ruolo di facilitatori esterni—che modellano costantemente le SSRs attivando le dimensioni strutturale, relazionale e cognitiva del capitale sociale. Tali risultati sono stati sintetizzati in un framework composto da cinque dimensioni aggregate. Dal punto di vista teorico, la tesi contribuisce alla letteratura sulla collaborazione nelle catene di fornitura, rivelando i meccanismi che influenzano (direttamente e indirettamente) il coordinamento orizzontale tra fornitori. A livello manageriale, offre uno strumento utile per individuare e rafforzare i fattori relazionali che abilitano una collaborazione efficace tra fornitori. Le principali limitazioni dello studio riguardano l’assenza di una validazione quantitativa dei risultati e il focus ristretto su supply chains in contesti industriali. La ricerca futura potrebbe estendere queste intuizioni, validandone ulteriormente le conclusioni ed esplorando altri settori, così come l’evoluzione delle SSRs nel tempo.The complexity of global supply chains and the growing need for coordination between actors have highlighted the importance of inter-organizational collaboration. While much of the existing literature has focused on the buyer–supplier relationships have received significant academic attention, this thesis explores the relatively overlooked field of supplier–supplier relationships (SSRs). In order to evaluate these relationships and how they are understood and overall seen in the industrial manufacturing world, the theoretical model employed mainly used for the analysis is social capital theory. Overall, considering the combination of the highlighted factors, this thesis aims to investigate: What do suppliers identify as the main factors influencing supplier-supplier relationships, and how do these factors impact the relationships through the lenses of social capital? To address this literature gap and answer the research question, the study adopts a multiple case study approach based on semi-structured interviews with six companies across various industrial sectors and geographies. Using an inductive coding methodology, the analysis uncovers emergent themes that are interpreted through the lens of social capital theory. The findings identify key drivers—such as project characteristics, industrial constraints and third-party facilitation—that constantly shape SSRs by activating the structural, relational, and cognitive dimensions of social capital. These results are synthesized into a framework comprising five aggregate dimensions. Theoretically, the thesis contributes to the literature on supply chain collaboration and by revealing the mechanisms affecting (directly and indirectly) horizontal supplier coordination. Managerially, it offers a framework that can help practitioners identify and strengthen the relational enablers of inter-supplier collaboration. Limitations include the lack of a quantitative validation of the results displayed and the narrow focus on supply chains within industrial context. Future research could extend these insights to further validate the conclusions found herein while exploring other industries and also seeing the evolution of SSRs over time
Nuraghe echoes: guardians of resilience in a changing climate
No full textLAUREA MAGISTRALELa Sardegna, una delle principali destinazioni turistiche del Mediterraneo, affronta crescenti stress climatici a causa del peggioramento delle siccità estive che compromettono il fragile equilibrio idrologico. Il bacino del fiume Coginas, che ospita due dighe storiche — l’impianto idroelettrico del Lago Coginas e la diga di Casteldoria — fatica a gestire estremi idrologici sempre più polarizzati: siccità estive prolungate e rischi di alluvioni successive. L’agricoltura tradizionale è in declino a causa dell’aridificazione, spingendo le economie rurali verso l’allevamento, che richiede strategie paesaggistiche adattative.
Questo studio propone un quadro di resilienza multilivello per il bacino idrografico integrando agricoltura rigenerativa, paesaggi spugna ed ecoturismo. Gli interventi chiave includono: la creazione di un corridoio agro-ecologico resistente alla siccità per migliorare la biodiversità e la trasformazione delle colture; la realizzazione di sistemi decentralizzati di raccolta delle acque piovane combinati con strategie di riduzione dell’evapotraspirazione per il recupero delle falde acquifere; e la valorizzazione delle fluttuazioni stagionali del livello dell’acqua per sviluppare paesaggi ricreativi adattivi che supportino habitat umidi ed ecoturismo.
Considerando il bacino del Coginas come un laboratorio idrologico dinamico, questo progetto dimostra come sia possibile migliorare la resilienza regionale attraverso una combinazione di sicurezza idrica, restauro ecologico e sviluppo economico sostenibile in condizioni di stress climatico. Questo modello non è solo applicabile alla Sardegna, ma offre anche importanti insegnamenti per la gestione dei sistemi idrici e la rivitalizzazione rurale in ambienti climatici simili nel Mediterraneo.Sardinia, a premier Mediterranean tourist destination, faces escalating climate stress with worsening summer droughts disrupting its fragile hydrological balance. The Coginas River Basin, containing two historic dams—the Lake Coginas Hydroelectric Plant and Casteldoria Dam—struggles to manage increasingly polarized hydrologic extremes: prolonged summer droughts and subsequent flood risks. Traditional agriculture is declining due to aridification, pushing rural economies toward livestock farming, which demands adaptive landscape strategies.
This study proposes a multi-level resilience framework for the watershed by integrating regenerative agriculture, sponge landscapes, and ecotourism. Key interventions include: establishing a drought-resistant agro-ecological corridor to enhance biodiversity and crop transformation; creating decentralized rainwater retention systems combined with evapotranspiration reduction to restore groundwater; and leveraging seasonal water level fluctuations to develop adaptive recreational landscapes that support wetland habitats and ecotourism.
Viewing the Coginas watershed as a dynamic hydrological laboratory, this project demonstrates how regional resilience enhancement can be achieved through a combination of water security, ecological restoration, and sustainable economic development under climate stress. This scenario is not only applicable to Sardinia, but also provides lessons to be learned for water system management and rural revitalization in similar climatic environments in the Mediterranean
Learning-based optimal management and control for sustainable energy systems with storage capabilities
No full textDOTTORATOLa crescente decentralizzazione dei sistemi energetici e l’integrazione di risorse energetiche distribuite hanno introdotto nuove sfide e opportunità nella gestione delle microreti. Questa tesi affronta queste complessità presentando un quadro di controllo gerarchico che combina la gestione dell’energia su base giornaliera, il controllo in tempo reale, l’ottimizzazione multi-obiettivo e metodi basati sui dati, con particolare attenzione ai sistemi di accumulo, ai carichi flessibili, alla stabilità della rete e alle prestazioni ottimali sia dal punto di vista tecnico che economico.
L’approccio proposto si basa su una strategia di gestione dell’energia giornaliera per le microreti, che, da un lato, equilibra i costi operativi, inclusi quelli legati all’invecchiamento delle batterie, e utilizza sia metodi centralizzati che distribuiti basati sull’Algoritmo Alternating Direction Method of Multipliers. Questa strategia ottimizza la distribuzione dell’energia considerando il degrado delle batterie e fornisce indicazioni utili sulla sostenibilità economica a lungo termine dei sistemi di accumulo in contesti di mercato variabili.
A partire da questa base, viene proposto un controllo gerarchico per la gestione in tempo reale, che integra un controllo predittivo basato su scenari (Scenario-Based MPC) insieme a un controllo predittivo deterministico per la gestione intra-giornaliera. Questo approccio permette di gestire in modo efficace le incertezze delle risorse energetiche distribuite non controllabili, migliorando sia l’efficienza dei costi che il controllo della potenza.
Per la progettazione dei controlli di basso livello, sono stati utilizzati metodi basati sui dati per aumentare la flessibilità e le prestazioni del sistema. Grazie alla capacità di adattamento e all’efficacia del metodo Set-Membership Data-Driven, la metodologia sviluppata è stata estesa dai sistemi a ingresso e uscita singoli (SISO) a quelli con ingressi e uscite multipli (MIMO). Inoltre, le strategie di controllo basate sui dati sono state testate con successo in un’applicazione reale di sistemi di accumulo a batteria (BESS). Infine, carichi flessibili, come i frigoriferi termoelettrici, sono stati controllati con queste strategie per fornire servizi di regolazione della frequenza.
I risultati di questa tesi evidenziano il potenziale innovativo dei metodi basati sui dati per migliorare l’efficienza, l’affidabilità e la flessibilità della gestione delle microreti, contribuendo in modo significativo al futuro dei sistemi energetici distribuiti.The growing decentralization of energy systems and the integration of distributed energy resources have introduced new challenges and opportunities for microgrid management. This thesis addresses these complexities by introducing a comprehensive hierarchical control framework that combines day-ahead dispatch, intra-day control, multi-objective optimization, and data-driven approaches, with a focus on energy storage systems, flexible loads, grid stability, and optimal performance both technically and economically.
This approach is based on a multi-objective day-ahead dispatch strategy for microgrids that balances operational costs, including the battery aging cost, and employs both centralized and distributed Alternating Direction Method of Multipliers methods. The strategy optimizes energy dispatch while incorporating battery degradation, offering valuable insights into the long-term economic viability of battery energy storage systems in volatile market conditions.
Building on this, an intra-day hierarchical control is proposed incorporating a Scenario-Based MPC approach together with a deterministic MPC for intra-day management, where it effectively manages the uncertainties from non-controllable distributed energy resources improving cost efficiency and power control.
In order to design the low-level controllers, data-driven methods were employed to enhance system flexibility and performance. Using the adaptability and effectiveness in improving the behavior of the system with the Set-Membership Data-Driven approach, the methodology developed was extended from Single Input Single Output (SISO) to Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems. Furthermore, Data-Driven Control strategies were successfully validated in a real-world application of Battery Energy Storage Systems (BESS). Additionally, flexible loads, specifically thermoelectric refrigerators, were controlled using these strategies to provide frequency containment services.
The findings of this thesis emphasize the transformative potential of data-based approaches in enhancing the efficiency, reliability, and flexibility of microgrid operations, contributing significantly to the future of microgrids composed of distributed energy systems.DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA, INFORMAZIONE E BIOINGEGNERIASystems and Control37ZANCHETTIN, ANDREA MARIAPIRODDI, LUIG