Le innovazioni del prossimo futuro: tecnologie

Le innovazioni del prossimo futuro: tecnologie prioritarie per l’industria.
Sono 105 le tecnologie del prossimo futuro raccolte nel rapporto curato da AIRI - Associazione
Italiana per la Ricerca Industriale - che ha coordinato più di un centinaio di ricercatori e manager
della ricerca, rappresentanti delle industrie associate e non, coadiuvati da ricercatori di enti
pubblici, per identificare le tecnologie di maggiore interesse per l'industria italiana. “Tecnologie
prioritarie per l'industria” AIRI, giunto alla settima edizione (2009), esprime gli indirizzi verso cui si
muove l’attività di ricerca dell’industria italiana nel breve-medio periodo (3-5 anni). Per ognuno dei
settori, inoltre, sono delineate anche le prospettive a medio-lungo termine (5-10 anni), che
nell’insieme configurano quelle fondamenta dell’innovazione alla base di nuovi modelli produttivi e
di sviluppo dei Paesi industrializzati. Modelli che necessariamente dovranno coniugare la
competitività economica del Paese ai nuovi driver culturali globali, come salvaguardia
dell’ambiente, sviluppo sostenibile, salute, sicurezza, società della conoscenza, ecc. Nel prossimo
futuro il sistema industriale dovrà affrontare in maniera sempre più pressante tematiche di tutela
ambientale, introducendo concetti di sostenibilità nei propri piani di ricerca e sviluppo. Questo
richiede modifiche generali che tendono verso l’economia di sistema (e non di prodotto). Così, ad
esempio, l’industria chimica dovrà imboccare con coraggio la strada dell’innovazione ponendosi
ambiziosi obiettivi in termini di sostenibilità di prodotti, processi produttivi e tecnologie, per ottenere
il beneficio della protezione normativa all’ingresso dai Paesi emergenti di prodotti con
caratteristiche di sostenibilità non allineate agli standard europei. L’industria energetica, inoltre, si
troverà a fronteggiare simultaneamente la sfida della crescita dei fabbisogni energetici e le
principali tematiche ad essa correlate, quali l’interdipendenza, la sicurezza delle forniture e
l’impatto ambientale. Essa troverà risposte sensate muovendosi verso la diversificazione delle
fonti, anche se il petrolio sarà ancora per decenni la principale fonte, e l’efficienza degli impianti.
L’innovazione di sistema vale anche per gli altri settori chiave dell’industria, da quelli più
tradizionali come trasporti su strada e marittimi, a quelli più avanzati come aeronautica e spazio.
Le ripercussioni dei nuovi modelli di sviluppo spingono la ricerca industriale a individuare soluzioni
per l’integrazione del trasporto su strada e marittimo per la mobilità sostenibile. Queste tecnologie
potranno provenire anche da quei settori che non operano sulla terra ma nell’aeronautica, nello
spazio e nel cyberspazio, che, proprio per la complessità dei sistemi in cui si evolvono, promettono
vere e proprie breaktrough technologies che cambieranno il volto della sicurezza, abbasseranno i
consumi, consentiranno la gestione del traffico aereo o satellitare, permetteranno l’integrazione
delle informazioni e dei sistemi digitali e microelettronici. La realizzazione del Web 2.0 prima e del
Web Semantico poi, assieme all’affermazione del concetto “more than more” per la produzione di
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chip più piccoli, più potenti e ad alta efficienza energetica, apre la strada non solo a sistemi di
comunicazioni integrati, veloci, disponibili ovunque e garantiti da ampie bande di trasmissioni, ma
anche all’affermazione di “agenti intelligenti” in grado di far parlare i computer ed elaborare masse
critiche di dati disponibili. Per avere un’idea dell’innovazione che ancora può dare l’information
technology, oltre ai settori considerati, si può prendere ad esempio il settore farmaceutico, dove
emergerà la rilevanza della medicina molecolare e la gestione di ampi data-base comprendenti le
informazioni di pazienti e di popolazioni. Infine, è fondamentale ricorrere alle ricerche condotte in
settori trasversali nell’ambito dei materiali avanzati e delle nanotecnologie, che nei prossimi anni
produrranno innovazioni radicali sui materiali. Queste tecnologie possono trasformare interi
comparti manifatturieri tradizionali, come ad esempio quello dei beni strumentali per l’industria
meccanica, favorendo le innovazioni di processo e di prodotto in grado di valorizzare il know how
delle tecnologie abilitanti. In particolare le nanotecnologie, le cui applicazioni sono possibili – e
spesso sono già presenti – in grande parte dei settori industriali, dalla medicina alla meccanica, dal
tessile al packaging alimentare, dalla cosmetica all’abbigliamento, dall’energia alla chimica.
Da questo sguardo introduttivo su alcune delle tecnologie trattate nel rapporto AIRI, è evidente che
l’ingente sforzo privato della ricerca industriale, quantificabile in una cifra stimata di 5.000 M€ (di
cui circa 410 Meuro per le nanotecnologie) mediamente in 3-5 anni, presenta un elevato rischio
imprenditoriale che potrà essere sostenuto solo da un impegno pubblico delle Istituzioni regionali,
nazionali e comunitarie, perché i temi trattati riguardano questioni collettive come la qualità della
vita, la salute, l’ambiente, la sicurezza, ecc.... Considerando le dimensioni dei problemi da
affrontare e l’urgenza di realizzare reali soluzioni da applicare rapidamente sul mercato, la ricerca
industriale necessita di investimenti tali da raggiungere una massa critica, continua e
programmata, che non possono attestarsi a poco più dell’uno percento del PIL. AIRI ritiene che le
“Tecnologie prioritarie per l’industria” possano dare spazio ad un rinnovato interesse delle
istituzioni cui compete la definizione di una chiara politica per ricerca e innovazione tecnologica,
adeguata alla competizione internazionale. E’ necessario definire linee di politica nazionale della
scienza e della tecnologia, congruenti con la realtà industriale e dei servizi avanzati del Paese, che
siano attuate con continuità e che permettano alle aziende più innovative di mantenere la
competitività in un mercato globale sempre più difficile ed aggressivo.
Airi - Associazione Italiana per la Ricerca Industriale, nata nel 1974 con lo scopo di divenire un punto di
riferimento per il sistema della ricerca e innovazione industriale del Paese, rappresenta oggi il raccordo tra i
più importanti attori italiani impegnati nella ricerca: gruppi industriali, imprese e centri di ricerca, università ed
enti pubblici di ricerca, associazioni, parchi scientifici, istituti finanziari. In complesso i Soci raccolgono
45.000 addetti alla ricerca e gli associati industriali coprono più del 50% delle spese di R&S dell’intera
industria nazionale. Nel 2003 AIRI ha costituito al suo interno Nanotec IT – Centro Italiano per le
Nanotecnologie – con lo scopo di promuovere le nanotecnologie e di favorire le sinergie tra ricerca privata e
pubblica.
www.airi.it - www.nanotec.it
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10 finestre sul futuro
Delle 105 tecnologie analizzate nel rapporto AIRI, sono state selezionate 10. Non è una classifica
per ordine di importanza, ma soltanto un tentativo di selezionare una tecnologia esemplificativa per
settore a scopo divulgativo, anche tenendo conto della fattibilità tecnica nel medio periodo e
dell’importanza strategica nel lungo termine.
Information technology
Grazie alle tecnologie per l’ info-mobilità nei prossimi anni i veicoli potranno comunicare tra di loro
e con i centri di coordinamento del traffico. La cooperazione dei servizi a bordo darà la possibilità
di ottimizzare i flussi di traffico suggerendo al guidatore percorsi diversi e intelligenti per
raggiungere una medesima destinazione. Si ridurranno, così, i tempi di percorrenza,
l’inquinamento ed i consumi, perché ci sarà la possibilità di gestire il trasporto multimodale (uso
combinato del mezzo pubblico e privato) e l’automazione dei flussi di accesso nelle zone a traffico
limitato.
Nel medio-lungo periodo, grazie a sensori potenziati con Micro Electro-Mechanical System e
nanotecnologie, i pneumatici interagiranno con la strada e con il veicolo segnalando situazioni di
guida ottimali o pericolose, i cruscotti di guida ed i parabrezza saranno vere e proprie interfacce
amichevoli che permetteranno la visione notturna o nella nebbia.
Microelettronica
Oltre all’esempio citato nell’ambito dell’infomobilità, quando i sensori avranno la capacità di
integrare in un unico pacchetto sistemi basati su elettronica e micromeccanica, potranno “sentire”
le anomalie del prodotto in cui sono inseriti. Grazie ad essi, ad esempio, durante la caduta
accidentale di un portatile avverrà in tempo reale il salvataggio automatico e la protezione dei dati.
Oppure permetteranno il blocco di una lavatrice quando le vibrazioni anormali presagiranno l’arrivo
di un tilt.
Energia
La frontiera tecnologica è rappresentata dalle tecniche di cattura e sequestrazione dell’anidride
carbonica. La tecnologia di Carbon Capture and Storage (CCS) permetterebbe di separare la CO2
dai processi di combustione industriale, processi attuabili già nel medio periodo, ed in futuro di
trasportarla in siti di stoccaggio ed, infine, di confinarla sottoterra.
Lo stoccaggio e l’inserimento in strati geologici profondi darebbero un contributo alla diminuzione
dell’inquinamento globale attraverso la riduzione dell’impatto delle fonti fossili. Tuttavia è da
verificare la reale efficacia, nonché la sicurezza nel lungo periodo, la compatibilità ambientale e la
sostenibilità economica.
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Chimica
Un migliore sfruttamento delle materie prime impiegate nella catalisi, ovvero il processo di sintesi
chimica fondamentale per l’industrializzazione, può rappresentare uno strumento importante per il
passare ad una chimica sostenibile senza rinunciare a prodotti efficienti e a ritorni economici.
L’evoluzione delle tecniche di sintesi chimica sempre più sofisticate permette di poter avere a
disposizione nuovi materiali con importanti proprietà catalitiche quali i “metal organic framework” o
gli ancora più recenti “zeolite imidazolate framework”. Tali tecnologie aprono nuove possibilità di
ottimizzazione dei processi chimici rendendoli più efficienti sotto il profilo del rendimento energetico
e chimico. I recenti progressi registrati nelle nanoscienze, inoltre, stanno contribuendo ad una più
profonda comprensione di come la dimensione delle particelle, la loro struttura e composizione
influenzino le prestazioni di un catalizzatore: ciò fornirà maggiori opportunità per la riduzione
dell’intensità energetica dell’industria chimica.
Farmaceutica e biotecnologie
La possibilità che il paziente rappresenti un caso unico e a se stante, nel contesto della patologia
generale, è la sfida della genomica, proteomica e metabonomica. Attraverso tecnologie che
elaborano alte densità di dati, provenienti dall’analisi del genoma cellulare, delle proteine e delle
loro modifiche strutturali, ecc, si potrebbe ottenere l’ “impronta digitale” della malattia e la sua
storia, unica per il paziente. Queste discipline, assieme a tecnologie come translational medicine,
biomarkers e metodi tossicologici alternativi, permetterebbe nel futuro di sviluppare una medicina
molecolare e personalizzata, e la possibilità di somministrare un farmaco altamente
efficace e potente che agirebbe soltanto dove è necessaria la sua azione, con minori ricadute
sull’intero organismo. Nel lungo periodo sarà necessario e sempre più ricorrente l’integrazione tra
farmaceutica e ICT per gestire ampi data base comprendenti le informazioni non solo di pazienti,
ma anche di popolazioni.
Ambiente
Nell’ambito della tecnologia relativa ai trattamenti delle acque, si potranno sviluppare trattamenti
basati sull’utilizzo di applicazioni, come “zeoliti” naturali e non, o membrane speciali, che hanno la
capacità di assorbire sostanze nocive e di permettere la depurazione di acque inquinate da
prodotti organici e inorganici. Nel lungo periodo sarà necessario, inoltre, studiare l’inquinamento
elettromagnetico e da scorie nucleari.
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Trasporti
Nel breve-medio periodo ci saranno sviluppi fortissimi verso veicoli elettrici, dotati di sistemi per
evitare la dissipazione del calore e di recuperare il calore di scarto, da sistemi fotovoltaici integrati
per la produzione e stoccaggio di energia elettrica. Nel medio-lungo periodo saranno migliorate le
tecnologie del veicolo elettrico e introdotte nei mezzi di trasporto le celle a combustibile, oggi sono
soggette a problemi tecnologici ed economici (stoccaggio, distribuzione idrogeno, durata delle
celle..), ma che domani potranno essere industrializzate grazie allo sviluppo di componenti per
l’alimentazione, di controllo e gestione della generazione di potenza elettrica e della trazione.
Aeronautica
Se oggi è il pilota che, in determinate condizioni di problemi gravi o danni al veicolo, è costretto ad
intervenire per sopperire a queste situazioni, nel prossimo futuro ci saranno nuovi sistemi di
controllo del velivolo capaci di “riconfigurarsi” in caso di guasti e di rispondere attivamente. Il
controllo adattativo offre la possibilità di accrescere in maniera significativa la sicurezza del volo
nel breve-medio periodo, e in prospettiva sistemi di controllo con queste caratteristiche saranno
applicate a veicoli senza pilota, “Unmanned Air Vehicle”, dotati di sistemi complessi di intelligenza
artificiale, sensori e sistemi di navigazione capaci di reagire a stimoli nel breve periodo ma anche
di pianificare le missioni aeree.
Spazio
La prospettiva promette di progettare e produrre antenne “made in Italy” per l’esplorazione
planetaria e per la trasmissione dei dati con la terra, antenne che siano puntabili meccanicamente
o elettronicamente per il collegamento con sonde calate sulle lune locali del pianeta di interesse.
Le antenne per telecomunicazione a bordo di satelliti richiedono prestazioni e funzioni sempre più
spinte che arrivino a capacità di auto-configurarsi.
Materiali
Una delle tecnologie promettenti sarà la capacità di dotare le superfici di funzioni mediante plasma
freddo, operando su scala nanometrica e modificano la struttura molecolare superficiale di svariate
tipologie di materiali, “trapiantandovi” ulteriori tipologie di sostanze. Questo permette di variare,
anche radicalmente, il comportamento del materiale trattato: esso può diventare attrattivo o
repellente nei confronti di altre sostanze (acqua, oli, grassi, proteine, eccetera), resistente alla
combustione, allo sporco, alla formazione di condensa, e così via. La modificazione superficiale
non richiede deposizione di rivestimenti, non comporta stress termici e non altera il colore o la
texture superficiale dei manufatti trattati.
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Le tecnologie prioritarie per l’industria
Internet, Web e telecomunicazioni verso la convergenza digitale
Il cuore del Web 2.0 è costituito dai servizi offerti all’utente. L’infrastruttura di accesso a banda
larga, assieme alle reti di nuova generazione, orientano il paradigma Internet verso caratteristiche
di rete multiservizio. In tale contesto assumeranno grande rilevanza le tecnologie radiomobili che,
integrate con le nuove architetture di rete attraverso una tecnologia unificante, permetteranno varie
forme di comunicazione a distanza. Questo scenario di convergenza digitale delinea le principali
sfide di cui si dovrà occupare la ricerca industriale nel breve-medio periodo. In particolare sulle
complesse tematiche relative a sicurezza e privacy, sui servizi e applicazioni nel settore dell’Home
network, in quanto la casa e gli edifici residenziali rappresentano uno dei mercati chiave della
nuova generazione di tecnologie digitali. L’integrazione delle nuove tecnologie dell’infomobilità
avranno, invece, un’evoluzione destinata ad influire pesantemente sulle modalità di fruizione del
trasporto. L’area delle tecnologie attinenti i contenuti on-line renderà possibile la fruizione di
contenuti multimediali accessibili ovunque e a qualità sempre più elevata, creando un mercato ex
novo dell’informazione, con implicazioni di grandi rilevanza per la società del futuro. Nel mediolungo periodo si affermerà il “Semantic Web” e, quando tutto l’aspetto burocratico del Web verrà
gestito da computers che parlano con computers attraverso agenti intelligenti, l’Home network
permetterà la diffusione delle tecnologie di telepresenza con lo sviluppo di vere e proprie stazioni
multimediali di rice-trasmissione, le tecnologie telematiche e di infomobilità per l'autoveicolo si
focalizzeranno soprattutto sulla standardizzazione delle interfacce di comunicazione, l’Internet on
dashboard fornirà informazioni filtrate in funzione alla posizione del veicolo e alle richieste del
conducente. Le tecnologie per la sicurezza prevedibilmente si focalizzeranno sullo sviluppo di
strumenti integrati di monitoraggio e tracciamento legale delle comunicazioni e transazioni su
protocolli di tipo IP evoluti, con il conseguente sviluppo di sistemi in grado di prendere rapidamente
decisioni in base ad una analisi dei flussi di traffico. Ulteriori applicazioni dell’ICT per l’industria si
riscontrano nei settori energia, farmaceutica, spazio, aeronautica, beni strumentali, ecc, ma, data
la peculiarità e la complessità delle tematiche, sono rintracciabili all’interno di ogni settore.
Microelettronica
e
semiconduttori: chip più piccoli, più potenti e ad alta efficienza
energetica
La nostra vita quotidiana ÷ contrassegnata da tutta una serie di servizi e di funzioni, dalla telefonia
cellulare ai sistemi di navigazione sulle automobili, dalla musica su CD o iPod alle analisi mediche
sofisticate, dalle carte di credito intelligenti ai filmati via Internet, resi possibili solo grazie ai
progressi della microelettronica nella continua riduzione delle dimensioni delle strutture e degli
elementi integrati, che hanno portato a raddoppiare la “densità di integrazione” ogni diciotto mesi
(legge di G. Moore). Le applicazioni e il mercato dei semiconduttori sono oggi dominati dai circuiti
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integrati al silicio, microprocessori, memorie e circuiti dedicati ad applicazioni specifiche. In
parallelo si sta assistendo ad una diversificazione della microelettronica, volta a coprire tutta una
serie di funzioni di interfaccia: sensori, attuatori, display e moduli di trasmissione e ricezione a
radiofrequenza e ottici, spesso basati su principi di micromeccanica. Tecnologie specifiche sono
poi utilizzate per display a cristalli liquidi, organici o a plasma, e per i componenti bio-elettronici e i
bio-sensori. La necessità di integrare queste tecnologie ha portato ad una radicale trasformazione
delle tecniche di assemblaggio in un unico package di complesse funzioni di interconnessione. Nei
prossimi anni sarà necessario studiare opportune tecniche di integrazione di materiali diversi e
apparentemente poco compatibili col silicio, affrontando il concetto di “integrazione eterogenea”. In
una prospettiva di medio e lungo termine si studieranno nuovi materiali inorganici e organici con
funzionalità elettroniche e fotoniche, alternativi al silicio, tuttavia, gli sforzi maggiori di ricerca
continueranno a concentrarsi sulla microelettronica del silicio ovvero sull’integrazione di sistemi
elettronici complessi su chip o in package. In generale i processi e i criteri di progettazione
dovranno tener conto di criteri di “efficienza energetica”, ovvero uno scenario dove, accanto alla
minimizzazione dei consumi, siano presenti concetti mirati all’uso “saggio” dell’energia. Questa
tematica riguarderà anche il settore automotive da cui ci si attende una significativa diffusione di
vetture elettriche nei prossimi 5-10 anni.
L’ energia verso la diversificazione delle fonti e l’efficienza degli impianti
L’energia alimenta i grandi impianti produttivi così come ogni singola attività umana, dal trasporto
all’illuminazione e riscaldamento delle abitazioni. L’industria energetica si trova a fronteggiare
simultaneamente la sfida della crescita dei fabbisogni energetici e le principali tematiche ad essa
correlate: l’interdipendenza energetica, la sicurezza delle forniture e l’impatto ambientale. Per tale
ragione l’obiettivo primario del settore è quello di garantire forniture energetiche affidabili,
economiche e sicure su scala globale. La ricerca tecnologica potrà avere un forte impatto sul lato
dell’offerta mondiale di energia, attraverso lo sviluppo e la diffusione su scala globale di
piattaforme volte a migliorare il fattore di recupero delle risorse già scoperte – attualmente solo il
35% delle risorse di greggio tecnicamente recuperabili è stato prodotto – e la valorizzazione degli
idrocarburi, nonché a impiegare fonti di energia alternative e a basso impatto ambientale. Allo
stesso tempo la tecnologia potrà ridurre la domanda mondiale di energia, incrementando
l’efficienza dei processi di conversione e dei sistemi di utilizzo. Ciò potrà avvenire, ad esempio,
attraverso lo sviluppo di nuovi e più efficienti motori, l’ottimizzazione degli impianti meccanici, la
riduzione delle perdite nelle pipeline di trasporto degli idrocarburi, nelle raffinerie o centrali
elettriche. Inoltre, l’innovazione tecnologica può fornire risposte significative anche alle
problematiche ambientali, tra le quali una frontiera tecnologica è rappresentata dalle tecniche di
cattura e sequestrazione dell’anidride carbonica. L’implementazione di tali tecniche consentirebbe
di incrementare le riserve recuperabili di petrolio di 170 miliardi di barili (pari a circa il 5% dei
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consumi annui di petrolio attuali, stime IEA). E’ necessario avviare tempestivamente i progetti di
ricerca nel settore energetico per vedere concretizzate le necessarie discontinuità tecnologiche nel
medio-lungo termine. Le sfide che esso dovrà fronteggiare riguardano le biotecnologie per il
settore energetico, le celle a combustibile a carbonati fusi, la conversione profonda di greggi e
frazioni petrolifere pesanti, le tecnologie per il miglioramento dell’efficienza energetica nei settori
civile e industriale, le tecnologie innovative per l’utilizzo dell’energia nucleare, le tecnologie per la
separazione e il confinamento geologico della CO2, tecnologie innovative per la valorizzazione
dell’energia solare, tecnologie avanzate di generazione elettrica, tecnologie per lo stoccaggio
dell’idrogeno. Nel più lungo termine linee di ricerca fondamentali posso essere individuate nell’ICT,
che offrirà un supporto attivo al settore dell’esplorazione e produzione degli idrocarburi, e nelle
nanotecnologie, che consentiranno miglioramenti di efficienza e riduzione di costi in diversi ambiti,
dal fotovoltaico, alla produzione e stoccaggio di idrogeno, alle celle a combustibile, ma anche nel
settore upstream oil & gas attraverso l’applicazione di nanomateriali strutturali a alta resistenza,
nanorivestimenti, applicazioni nel campo della filtrazione e separazione di gas, nanocatalizzatori,
nanospugne da utilizzare in caso di versamenti di olio in acqua. Nel settore upstream degli
idrocarburi, saranno sviluppate soluzioni tecnologiche per le operazioni di esplorazione, sviluppo e
produzione degli idrocarburi in condizioni climatiche e ambientali complesse, tra cui zone artiche e
bacini ultra-profondi, garantendone la sostenibilità ambientale. Nel settore midstream del gas
naturale, lo sviluppo di tecnologie innovative di valorizzazione del gas “stranded” – ovvero distante
dai mercati finali o localizzato in giacimenti di ridotte dimensioni. Nel mistream del greggio,
l’evoluzione degli impianti di raffinazione verso sistemi che eliminano sottoprodotti come olio
combustibile e coke. Nell’ambito degli utilizzi finali dell’energia, saranno progettate tecnologie
avanzate per l’accumulo di energia in vari settori, quali l’elettrico o lo stoccaggio dell’idrogeno. Nel
settore delle energie alternative, un filone affascinante e promettente è rappresentato dalla
produzione di biocombustibili a partire da microorganismi vegetali o animali quali lieviti, batteri e
alghe, in grado di assicurare produttività più elevate e evitare la competizione con il settore
alimentare. Per quanto concerne il settore dell’idrogeno, sarà necessario sviluppare tecnologie di
produzione alternative a quelle attuali, basate sull’utilizzo degli idrocarburi, che facciano ricorso a
esempio all’energia solare (fotoscissione dell’acqua) o a quella nucleare.
Le innovazioni per la chimica sostenibile
L’industria chimica volge verso una riduzione della propria dipendenza dai combustibili di origine
fossile, e sta considerando con sempre maggiore interesse materie prime di origine naturale nella
preparazione di prodotti base. Obiettivi specifici riguardano, ad esempio, l’innovazione dei processi
per lo sfruttamento delle biomasse (bioetanolo, oli vegetali, etc.), la conversione catalitica di alcani
leggeri in idrocarburi liquidi da usarsi come carburanti, l’utilizzo della anidride carbonica come fonte
di carbonio alternativa. L’entrata in vigore della normativa REACH, inoltre, impone un severo
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esame di sostenibilità con l’identificazione di prodotti che andranno gradualmente sostituiti con
alternative più sicure. Importante driving force dell’innovazione nei prodotti chimici è l’Analisi del
ciclo di vita, che in maniera sistemica valuta i flussi di materia ed energia durante tutta la vita di un
prodotto, dall’estrazione delle materie prime, alla produzione, all’utilizzo, fino all’eliminazione del
prodotto stesso una volta divenuto rifiuto. L’obiettivo generale è valutare gli impatti ambientali
associati alle varie fasi del ciclo di vita di un prodotto, nella prospettiva del miglioramento
ambientale. Uno degli aspetti più critici è che i processi produttivi richiedono considerevoli quantità
di energia in relazione alle temperature e pressioni di funzionamento. Inoltre accanto ai prodotti
principali si producono sottoprodotti di difficile valorizzazione e/o potenzialmente dannosi, come
l’anidride carbonica. Condizioni di processo che permettano di consumare minore energia possono
fornire non solo un contributo notevole al rispetto delle risorse naturali ma rendere maggiormente
convenienti dal punto di vista economico i processi chimici coinvolti. Inoltre, l’incremento della
selettività dei processi chimici di interesse industriale può ottimizzare lo sfruttamento delle materie
prime impiegate, con ritorni importanti sia in termini economici che ambientali. In questo senso, la
catalisi rappresenta uno strumento importante. L’evoluzione delle tecniche di sintesi chimiche e di
caratterizzazione sempre più sofisticate permette di poter avere a disposizione nuovi materiali che
possono mostrare importanti proprietà catalitiche quali i “metal organic framework” o gli ancora più
recenti “zeolite imidazolate framework”. Tali tecnologie aprono nuove possibilità di ottimizzazione
dei processi chimici rendendoli più efficienti sotto il profilo del rendimento energetico e chimico. I
recenti progressi registrati nelle nanoscienze stanno contribuendo ad una più profonda
comprensione di come la dimensione delle particelle, la loro struttura e composizione influenzino le
prestazioni di un catalizzatore. La strada dell’innovazione dell’industria chimica passa quindi per
tecnologie prioritarie come feedsock alternativi per prodotti chimici, bioetanolo, sostituzione degli
alchilfenoli nei prodotti chimici, sostituzione di ftalati in materiali polimerici, imballaggi per alimenti,
formulati cementizi per edilizia, materiali innovativi per le tecnologie di compounding di materiali a
base elastomerica, nanomateriali per la catalisi di processi chimici, nuovi approcci nelle tecniche di
polimerizzazione delle olefine.
Una farmaceutica sempre più integrata con tecnologie diverse
La salute dei cittadini da al settore del farmaco un ruolo di primaria importanza e in Italia il settore
industriale è sicuramente uno dei più avanzati con investimenti in ricerca ingenti. Nel breve-medio
periodo la ricerca si focalizzerà sulle seguenti tecnologie prioritarie: genomica, proteomica e
metabonomica, nuove tecnologie applicate alla chimica farmaceutica, translational medicine,
biomarkers e metodi tossicologici alternativi, delivery systems, nanotecnologie applicate alla
medicina, produzione biotecnologica ed utilizzo di anticorpi, tecnologie di stabilizzazione per
macromolecole, imaging e targeting molecolare, applicazione di tecniche di knowledge
management e data Mining. Fra queste, le tecnologie per la produzione biotecnologica ed utilizzo
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di anticorpi, quelle di stabilizzazione per macromolecole mostrano un’applicazione parziale in Italia
rispetto all’estero e pertanto il loro sviluppo è di fondamentale importanza. L’applicazione di
tecniche di Knowledge Management e Data Mining, infine, è un esempio raro di tecnica
traslazionale che rappresenta la possibilità di integrazione di settori diversi.
Il settore farmaceutico nell’industria italiana rimarrà un settore di primaria importanza economica in
quanto le problematiche della salute rivestiranno sempre di più valenza strategica, sia nei paesi
sviluppati che in quelli in via di sviluppo. La componente di innovazione sarà sempre un fattore
caratterizzante ed in particolare emergerà la rilevanza della medicina molecolare che si
accompagnerà ad una più precisa individuazione del paziente all’interno di una specifica patologia.
Sarà sempre più ricorrente l’integrazione tra farmaceutica e tecnologia, quest’ultima intesa sia
come strumenti di intervento minimamente invasivi, sia di ambito ICT per gestire ampi data base
comprendenti le informazioni non solo di pazienti, ma anche di popolazioni.
Ambiente: tecnologie articolate per processi e trattamenti
Le politiche ambientali su scala locale e globale introducono nuovi concetti di analisi e
salvaguardia ambientale come gli studi del ciclo di vita e la protezione ambientale integrata. Tra gli
strumenti che mettono in pratica queste politiche si possono citare il protocollo di Kyoto, le
normative europee e nazionali sulla prevenzione integrata ed il controllo dell’inquinamento, sulla
gestione ed il riciclo dei rifiuti solidi, sulla tutela dei corpi idrici, sul riuso della risorsa acqua e sulla
promozione di prodotti e servizi a basso impatto ambientale. L’aumentata attenzione verso il tema
generale della qualità dell’aria porta all’introduzione di nuovi aspetti riguardanti sistemi per la
riduzione dell’inquinamento, quali quelli relativi alla riduzione del particolato emesso a seguito della
combustione di derivati del petrolio. Per quanto riguarda le tecniche di controllo delle emissioni di
CO2, diventa necessario disporre di tecniche di telerilevamento degli inquinanti, come, ad
esempio, nel caso del gas flaring, che costituisce una delle sorgenti di emissione di gas serra più
importanti nel mondo e di notevole rilevanza per l’industria energetica italiana. L’esigenza è di
potenziare le metodologie analitiche e le tecnologie per l’ottimizzazione dei processi in una
prospettiva di Impatto zero. Nell’ambito della tecnologia relativa ai trattamenti delle acque, vi è
l’esigenza di un maggior impegno nello sviluppo dei processi di trattamento basati sull’utilizzo di
membrane per la depurazione di acque inquinate da prodotti inorganici e dei processi ossidativi
avanzati e di assorbimento da parte di zeoliti per il trattamento di acque inquinate da composti
organici di diversa natura. Per i rifiuti solidi, a fianco delle tecnologie di recupero energetico, di
trattamento dei rifiuti e degli aspetti relativi allo studio dei meccanismi che portano alla formazione
dei microinquinanti organici ed al loro abbattimento nella termovalorizzazione dei rifiuti solidi, si è
introdotta
la
tecnologia
del
recupero
di
materiali
derivati
dal
petrolio
e
l’inertizzazione/valorizzazione dei rifiuti pericolosi con l’aggiunta della tecniche di riduzione e
valorizzazione dei fanghi biologici ed oleosi di origine industriale.
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Per quanto riguarda la tecnologia per la bonifica dei siti inquinati, lo spettro delle iniziative di
bonifica proponibili vanno da semplici tecniche di monitoraggio volte a verificare il procedere dei
fenomeni naturali di degradazione delle sostanze inquinanti (natural attenuation) all’escavazione e
messa in discarica dell’intera matrice inquinata (estrema ratio). Nel medio-lungo periodo, nel
campo delle nuove tecnologie per la bonifica di siti contaminati i principali temi saranno la messa a
punto di protocolli sempre più accurati per la “natural attenuation”, i sistemi di trattamento passivo
delle acque, le tecniche di ossidazione e di riduzione in situ e l’impiego dei nanomateriali sia come
elementi reattivi sia come sensori. Un’altra tecnologia che sarà sviluppata è quella della
pirolisi/gassificazione per ridurre notevolmente la quantità di emissioni in atmosfera. Per il
trattamento e il riutilizzo delle acque uno dei temi che sarà considerato è costituito dai sistemi
avanzati di ossidazione, rivolti alla eliminazione di sostanze recalcitranti e microinquinanti. Le
nanotecnologie saranno di grande attualità nei processi di trattamento reflui e potabilizzazione, ma
bisogna considerare anche il possibile inquinamento delle acque causato dai nanomateriali
medesimi utilizzati in altri settori. Per la riduzione dell’inquinamento ed il controllo della qualità
dell’aria, saranno sviluppate tecnologie relative alla riduzione dell’inquinamento dei mezzi di
trasporto (trazione elettrica, utilizzo di gas di sintesi in processi a combustione interna ottimizzati,
filtraggio del particolato) e quelle relative al monitoraggio diffuso della qualità dell’aria. Le attività di
biomonitoraggio degli ambienti marini saranno finalizzate a studiare l’impatto delle attività
petrolifere sulla biodiversità e le relative misure di protezione, al fine di minimizzarne gli effetti, a
identificare le minacce ambientali a prestare attenzione alle istanze locali, comunicando la volontà
di agire propositivamente in ambienti sensibili, per migliorare i rapporti e la cooperazione con le
comunità con cui si entra in contatto.
L’integrazione del trasporto su strada e marittimo per la mobilità sostenibile
I circa 500 milioni di abitanti dell’Unione Europea utilizzano quotidianamente il sistema di trasporti,
percorrendo una media di 36 Km al giorno, in particolare in automobile, sulla rete di trasporto più
lunga del mondo. E’ dunque necessario garantire un sistema di mobilità sostenibile che sia tale dal
punto di vista sociale, ecologica ed economica. Tale assunto si traduce in una strategia volta a
creare un sistema sicuro, accessibile per tutta la popolazione, a ridotto impatto ambientale e ad
alta efficienza energetica. La ricerca del settore dovrà sviluppare tecnologie applicabili sia per
soddisfare sempre più in modo efficiente il fabbisogno di mobilità degli utenti finali dei mezzi di
trasporto ed una puntuale consegna delle merci sia per adeguare le infrastrutture e valorizzare i
servizi offerti dal settore. L’approccio sistemico richiede soluzioni integrate che vanno
all’intermodalità all’interoperabilità dei vari mezzi, allo sviluppo di veicoli più sicuri e meno
inquinanti ed alle applicazioni su larga scala della telematica. Solo così potranno raggiungere
risultati positivi in termini di efficienza globale, sicurezza, ridotto impatto ambientale e comfort per
l’utente. Gli obiettivi prioritari della ricerca del trasporto stradale sono: migliorare la competitività
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globale, nazionale ed europea dell’industria e dei servizi tramite efficienza, interoperabilità,
modularità e armonizzazione delle politiche; sviluppare nuove soluzioni di trasporto urbano che
non trascurino le esigenze degli anziani, l’intermodalità e che siano accessibili a tutti gli utenti;
migliorare la qualità della vita in termini di benessere e maggiore sicurezza per passeggeri e merci;
diminuire gli impatti negativi sull’ambiente e sulla salute; sostenibilità ambientale ed economica. In
campo marittimo, la ricerca e sviluppo, oltre ad investire il problema della navigazione sicura ed
efficace nel rispetto dell’ambiente, dello sviluppo di mezzi e infrastrutture sempre più efficienti,
riguarderà gli aspetti della logistica ed integrazione con gli altri tipi di traffico superficiale sia
passeggeri che merci. Le sfide prioritarie a medio-lungo termine che il settore deve affrontare sono
l’annullamento delle emissioni nocive, la forte riduzione delle emissioni di CO2, quasi zero incidenti
mortali, mobilità urbana sostenibile. La ricerca sarà volta a sviluppare ed integrare tecnologie, che
grazie ad un approccio sistemico, permettano soluzioni efficaci per una totale compatibilità del
mezzo con l’ambiente attraverso veicoli intelligenti, puliti, economici e l’ottimizzazione delle
infrastrutture. Le tecnologie prioritarie individuate sono quelle per sistemi di propulsione a
bassissimi consumi e bassissime emissioni, le tecnologie e sistemi per la sicurezza integrata del
trasporto stradale, le tecnologie per l’infomobilità, le celle a combustibile nei mezzi di trasporto, le
tecnologie per interno veicolo, le tecnologie di interfaccia uomo-macchina, le tecnologie per
l’incremento dell’efficienza energetica dei veicoli e la riduzione delle emissioni serra, le tecnologie
per la massimizzazione dei livelli di comfort percepito a bordo nave, attraverso lo studio
sistematico dei fattori che condizionano il benessere dell’uomo in mare e lo sviluppo di tecnologie
integrate e sistemi avanzati di contenimento di moti nave, rumore e vibrazioni, le metodologie di
progettazione navale con ‘calcolo diretto’ e di modellazione e simulazione delle condizioni di
operatività, le tecnologie di abbattimento delle emissioni in aria delle navi, le tecnologie per il
contenimento dei consumi energetici dei sistemi navali. Saranno prodotte tecnologie per una
gestione efficiente del traffico e sarà importante la disponibilità di informazioni in tempo reale. Dal
punto di vista del risparmio energetico, si affronteranno i temi della gestione delle infrastrutture e
dei sistemi di controllo del traffico. Accanto all’ulteriore miglioramento dell’efficienza dei motori a
combustione interna, saranno necessarie nuove infrastrutture per la fornitura dell’energia, nelle
diverse forme e anche in relazione ai nuovi vettori energetici (idrogeno, ecc.). Le fonti energetiche
dovranno essere diversificate e il veicolo ottimizzato. In questo contesto dovranno essere
sviluppati i sistemi di propulsione elettrica.
L’aeronautica e le tecnologie per la sicurezza, i bassi consumi e la gestione del traffico
La dipendenza del mercato aeronautico dagli eventi globali, anche di natura non strettamente
economica ma legati agli equilibri geopolitici mondiali, è stata ripetutamente ed a volte
drammaticamente dimostrata. Il settore aeronautico risente di stimoli esterni e deve essere capace
di prevedere e gestire effetti di eventi contestuali, particolarmente condizionanti, sia per
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l’evoluzione tecnologica che per lo stesso successo industriale. In particolar modo le attività di
ricerca e sviluppo svolgono un ruolo determinante per la competitività industriale. Infatti, il prodotto
aeronautico è un sistema complesso ed integrato e deve rispondere a standard di sicurezza
elevati; inoltre, la sua competitività è definita in base sia al costo d’acquisizione che al costo
d’esercizio. Ciò si dovrà tradurre in un impegno continuo verso lo sviluppo di materiali e processi
avanzati, il miglioramento delle capacità di progettazione, integrazione e gestione sistemistica, sia
a livello di singolo componente o sottosistema, che di sistema velivolo completo, l’affinamento
delle tecnologie di base del settore, quali aerodinamica, acustica, analisi strutturale statica e
dinamica, ecc., l’accurata capacità di valutazione delle interazioni fra velivolo ed ambiente
circostante, la capacità di simulazione di situazioni sempre più complesse, in modo da riprodurre
fedelmente le condizioni di servizio. Questi driver di ricerca si traducono in tecnologie prioritarie
peculiari per il settore: tecnologie per sistemi autonomi, design di sistemi di controllo adattativi
“fault tolerant”, tecnologie di knowledge management per lo sviluppo prodotto aeromotoristico,
prognostica, tecnologie per configurazioni motore innovative, tecnologie per sistemi di
combustione e post-combustione, sistemi autonomi anti-collisione, tecnologia di navigazione
satellitare per volo a bassa quota (elicotteri/tilt rotors, general aviation, UAV), integrazione
sistemistica funzionale, tecnologie dei materiali e dei processi produttivi per strutture e motori
aeronautici, tecnologie per la riduzione dell’impatto ambientale per velivoli regionali, avionica
Modulare, funzioni avanzate per l’Air Traffic Management (ATM) e SWIM (System Wide
Information Management), il sistema abilitante per l’Interoperabilità in ATM. Per la tipicità del life
cycle del prodotto aeronautico, le tecnologie trattate hanno tempi di sviluppo che spesso superano
abbondantemente i tre anni. In alcuni casi poi (come ad esempio i nanomateriali e le tecnologie
legate all’autonomia) i tempi di ricerca e sviluppo, e di transizione nel prodotto aeronautico
possono riguardare anche decenni.
Il prossimo futuro nello spazio
Negli ultimi anni il settore spaziale ha continuato ad accrescere il suo valore strategico in tutte le
economie dei Paesi più industrializzati. L’industria spaziale nazionale gioca un ruolo significativo
nella progettazione e costruzione di satelliti scientifici ed applicativi nei domini applicativi delle
telecomunicazioni, dell’osservazione della Terra e della navigazione, nella progettazione e
costruzione di strutture spaziali abitate, di sistemi di lancio e trasporto spaziale, nella progettazione
sistemistica, nella produzione di antenne, componenti ed equipaggiamenti elettronici e meccanici,
sia di bordo che di terra, nella definizione e sviluppo di sistemi software sicuri e ad elevato grado
di affidabilità, specifici per il settore spaziale. Lo sviluppo del settore avviene nell’ambito di diverse
iniziative europee ed italiane, tra cui il progetto GALILEO che consentirà l’indipendenza dell’Unione
Europea in un settore strategico per una serie di servizi e di applicazioni legate alla navigazione
satellitare; il programma europeo GNSS Evolution; il Global Monitoring for Environment and
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Security, varato congiuntamente da Unione Europea ed Agenzia Spaziale Europea; il programma
Meteosat Third Generation, sistema operativo di previsione dei fenomeni meteorologici,
monitoraggio del clima e composizione dell’aria nel periodo 2015-2035. In ambito nazionale è
particolarmente significativo l’impegno nella realizzazione della costellazione Cosmo Skymed, oggi
operativa con tre satelliti in orbita; particolare preminenza ha l’industria italiana nella missione
Exomars, prima missione robotica europea sulla superficie di Marte la cui data di lancio è ad oggi
fissata per il 2016. L’attività di ricerca riveste nel settore spaziale un ruolo fondamentale, sia a
livello di concezione di sistemi che, in senso più stretto, in aree più propriamente tecnologiche
(componentistica, materiali e processi ecc). Il contesto coinvolge aspetti tecnologici vari e
diversificati, perciò il numero di tecnologie prioritarie è necessariamente elevato. Alcune sono
assimilabili a quelle di altri settori, ad esempio per quanto riguarda la microelettronica, i materiali
avanzati e la propulsione, ma la specificità dell’applicazione spaziale impone requisiti tali da
doverle considerare a parte. Inoltre le tecnologie sviluppate in ambito spaziale hanno una notevole
ricaduta in ambito terrestre, ad esempio nel campo dei materiali. Le tecnologie considerate, quindi,
nei prossimi anni si focalizzeranno su tecnologie elettroniche per apparati di bordo ad alta ed
altissima frequenza e per elaborazione numerica, tecniche interferometriche per misure e controlli
ad altissima accuratezza, aerotermodinamica e sistemi di protezione termica, progettazione
avanzata e nuove tecnologie per antenne a bordo di satelliti, involucri in materiale composito per
sistemi di propulsione spaziale, catena ossigeno liquido e motore ossigeno liquido/idrocarburi,
tecnologie per radar per osservazione della Terra, sensori e camere per l’osservazione della Terra,
strutture espandibili per moduli spaziali pressurizzati, elementi strutturali compositi per applicazioni
spaziali ad alta temperatura, controllo ambientale rigenerativo per missioni umane di esplorazione,
sistema di controllo
d’assetto basato esclusivamente su informazioni stellari, orologi atomici,
tecnologie di automazione per esplorazione planetaria.
L’innovazione dei beni strumentali per l’industria manifatturiera meccanica
Una visione “tridimensionale” del bene strumentale comporta che esso sia, allo stesso tempo, un
prodotto destinato ad un ampio mercato di tipo Business to Business; una tecnologia, dato che
svolge una serie di processi peculiari per la trasformazione della materia prima; un fattore
abilitante poiché mette in grado i propri utilizzatore di produrre i beni propri della loro area di
business sfruttando il know how del bene strumentale stesso. Questo approccio fa riferimento ad
un modello economico-gestionale che vede il bene strumentale come fattore abilitante per
praticamente tutte le altre tipologie di produzione industriale, in grado di operare e svilupparsi
grazie ad un continuo interscambio di conoscenza. Questa strategia porta a definire una serie di
driver di breve e di medio termine tra cui le tecnologie abilitanti basate su tecniche di
progettazione, meccatronica e componentistica, ICT e beni strumentali, materiali. Coerentemente
con gli obiettivi strategici, possono essere definite una serie di tecnologie prioritarie: tecnologie per
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macchine speciali ed ad elevata produttività, metodologie di sviluppo di strutture ad elevate
prestazioni, tecnologie flessibili di taglio e giunzione, tecnologie flessibili di formatura, tecnologie di
controllo e gestione dei sistemi, sistemi innovativi di fissaggio dei pezzi in lavorazione , tecnologie
Near Net Shape, funzionalizzazione di superfici mediante plasma freddo, tecnologie ottiche per la
giunzione di materiali termoplastici, tecnologie di rapid tooling e rapid prototyping.
La ricerca trasversale sui materiali avanzati e le nanotecnologie
I comparti tecnologici analizzati richiedono alla scienza e tecnologia dei materiali un’articolazione
basata sulle principali capacità abilitanti che si prevede siano i driver della richiesta industriale nei
prossimi anni: robustezza, allegerimento, termomeccanica, comfort ed estetica, sicurezza,
multifunzionalità, ecocompatibilità, trasparenza. Incrementare la tendenziale smaterializzazione dei
prodotti significa sviluppare materiali robusti con caratteristiche meccaniche più perfomanti.
L’alleggerimento richiede una serie di azioni finalizzate all’ottimizzazione strutturale, integrazione,
scelta di materiali innovativi e più leggeri di quelli tradizionalmente in uso. La ricerca sul tema della
termomeccanica, consente ai materiali di possedere elevate caratteristiche di resistenza ad
elevata temperatura e sono di particolare interesse soprattutto nel settore Energia, per applicazioni
nei reattori nucleari di nuova generazione e nelle turbine a gas industriali, e per il settore
Aeronautica, nei sistemi propulsivi. Il raggiungimento di elevati standard estetici e di confort va
affermandosi come elemento determinante nella sfida su prodotti di largo consumo nella fascia
media ed alta del valore del mercato, che, accoppiati alla contemporanea richiesta di sicurezza,
impongono lo sviluppo di materiali sempre più avanzati. La declinazione del concetto di sicurezza
dei materiali, inotre, è connessa con la necessità di garantire che la produzione, la trasformazione
e il trattamento di materiali nel ciclo produttivo industriale e nel successivo uso dei sistemi nei quali
entra, non generi condizioni di potenziale pericolosità per l’uomo e l’ambiente. I materiali
ecocompatibili sono caratterizzati da un basso impatto sull’ambiente e sulla salute dell’uomo
nell’intero ciclo di vita - dall’estrazione delle materie prime all’energia utilizzata per la produzione,
all’utilizzo fino alla dismissione - quali materiali naturali e rinnovabili, riciclati e riciclabili.
Fondamentale per la sostenibilità ed in particolare per la compatibilità ambientale è che i materiali
consumino moderate quantità di energia durante tutto il ciclo di vita (smaltimento compreso), che
siano riciclabili e/o siano costituiti almeno in parte da materie prime seconde ovvero materiali
provenienti dal mondo del riciclo. La trasparenza è richiesta per poter migliorare la percezione
dell’ambiente in cui ci si trova, trasformando uno spazio tecnicamente ristretto, per le esigenze
funzionali del progetto, in uno permeabile anche agli stimoli provenienti dall’esterno.
Infine, i nanomateriali con caratteristiche di multifunzionalità, potranno avere applicazioni
importanti per la conversione fotovoltaica, come accade nelle celle solari di seconda e terza
generazione, o nei processi elettrochimici, come nel caso delle batterie a ioni litio o delle celle a
combustibile, piuttosto che nella riduzione di barriere di potenziale, come nel caso dei catalizzatori,
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o di trasduzione di segnali chimici, come nel caso di sensori. La micro- o nano- strutturazione del
sistema e l’integrazione intelligente dei diversi elementi tecnologici che rendono effettivamente
utilizzabile la funzione peculiare del materiale aprono la strada a innovazioni importanti. Il coating
nanostrutturato sarà applicato a settori quali produzione e immagazzinamento dell’energia
elettrica, per celle solari ibride di terza generazione. I film sottili con proprietà funzionali trovano
applicazione in dispositivi per la sensoristica chimica, mentre i nanocompositi si applicano nella
catalisi chimica e foto-chimica. Le nanopolveri, prodotte mediante tecniche le più disparate,
verranno incorporate in altri materiali, ad esempio per migliorarne le proprietà meccaniche,
tribologiche e di estinzione di fiamma. Materiali e metodi nanotecnologici offrono la necessaria
sinergia tra peculiarità funzionali, strutturazione, e integrazione, a beneficio di una multifunzionalità
che può determinare sia lo sviluppo di processi industriali innovativi, che l’ottimizzazione, in termini
di efficienza, di processi industriali consolidati.
Sintesi a cura di Vitantonio Altobello
Segretario generale Airi
AIRI
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