WESM LAB: Water, Energy and Soil Mechanics Laboratory

Ambiti: Ingegneria agraria

Il WESM LAB nasce come laboratorio integrato con le competenze di due settori scientifico-disciplinari dell’Ingegneria Agraria e dei biosistemi: Idraulica agraria e sistemazioni idraulico-forestali (SSD AGRI-04/A) e Meccanica agraria (AGRI-04/B).

Il laboratorio si configura come un’infrastruttura strategica del DISTAL, finalizzata allo sviluppo, monitoraggio e validazione di soluzioni tipiche dell’ingegneria agraria e dei biosistemi, in grado di condurre analisi e prove idrauliche, idrologiche, energetiche, meccaniche e agro-ambientali orientate alla sostenibilità, all’ottimizzazione dei processi e alla gestione integrata delle risorse acqua–energia–suolo–atmosfera.

Temi di ricerca

Il laboratorio è organizzato in quattro principali ambiti di ricerca:

1. Idraulica e qualità delle acque

Referenti: Prof. Attilio Toscano, Prof. Stevo Lavrnic, Dr. Giuseppe Mancuso

Attività: Determinazione dei principali parametri chimico-fisici (es. COD, BOD₅, TSS, TN, TP) su campioni d’acqua provenienti da contesti agricoli (acque di deflusso/drenaggio, acque irrigue) e da sistemi di trattamento (es. fitodepurazione), finalizzata all’analisi delle qualità della risorsa idrica, al monitoraggio delle prestazioni dei sistemi di depurazione e alla verifica della conformità degli effluenti prodotti da tali sistemi ai requisiti normativi per lo scarico in corpi idrici superficiali e/o per il riuso irriguo in agricoltura. Contestualmente, quantificazione dei flussi idrici mediante misure dirette di portata in canali superficiali, effettuate con idonea strumentazione di campo, per la determinazione delle caratteristiche idrauliche e la stima dei carichi inquinanti associati. Prove di portata per la valutazione delle prestazioni degli impianti irrigui. Progettazione e conduzione sperimentale di impianti pilota a scala di laboratorio e di campo.

Servizi e consulenze: analisi di campioni di acque per l’agricoltura, consulenze su pianificazione e gestione integrata delle risorse idriche, convenzionali e non, in agricoltura.

2. Idrologia del suolo

Referente: Prof. Gabriele Baroni

Attività: Caratterizzazione dei principali parametri fisico-idrologici del suolo quali: densità apparente di campioni di suolo indisturbati, tessitura e curva di distribuzione granulometrica, conducibilità idraulica satura, curva di ritenzione idrica del suolo. Si aggiungono a questa strumentazione di laboratorio, tecniche nucleari di campo per il monitoraggio e la mappatura dell’ambiente agro-forestale quali sonde Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS) e sensori Gamma Ray Spectrometry (GRS) per il monitoraggio in continuo dello stato idrico e la mappatura non invasiva delle proprietà fisico-chimiche del suolo.

Servizi e consulenze: analisi per la caratterizzazione fisico-idrologica di campioni di suolo, ottimizzazione del campionamento del suolo, supporto tecnico-scientifico nell’installazione, calibrazione e utilizzo di sensori per il monitoraggio del sistema suolo-pianta-atmosfera.

3. Bioenergia

Referenti: Prof. Giovanni Molari, Prof.ssa Francesca Valenti, Prof. Mirko Maraldi

Attività: Studio, sviluppo e ottimizzazione di tecnologie per la valorizzazione energetica delle biomasse di origine agricola e agro-industriale, con particolare riferimento ai processi di digestione anaerobica e alla produzione di biogas e biometano, integrando approcci biologici e termochimici per una valutazione completa del potenziale energetico delle matrici.

Le attività comprendono la caratterizzazione delle biomasse e dei residui agricoli, attraverso l’analisi dei principali parametri chimico-fisici (TS, VS, COD, TP, pH), integrata dalla determinazione di alcune frazioni dell’analisi immediata (ceneri e carbonio fisso), finalizzata alla valutazione del potenziale energetico e della biodegradabilità dei substrati; prove di digestione anaerobica a scala di laboratorio (BMP test), condotte mediante sistemi batch in condizioni controllate (mesofile), per la determinazione della produzione specifica di biogas e metano; la valutazione di strategie di co-digestione, per migliorare le rese energetiche e la stabilità del processo attraverso la combinazione di diverse matrici organiche; il monitoraggio della produzione di gas e analisi della composizione del biogas (CH₄, CO₂, altri gas) mediante tecniche gascromatografiche; lo studio di pretrattamenti per biomasse lignocellulosiche, finalizzati ad aumentarne la degradabilità e la resa metanigena; la determinazione del potere calorifico delle biomasse, finalizzate alla valutazione del contenuto energetico delle biomasse e alla comparazione tra diverse matrici.

Le attività sperimentali sono condotte utilizzando strumentazione dedicata, tra cui shaker orbitali a temperatura controllata, sistemi Methan Tube® per test di digestione anaerobica anche in continuo, termodigestore, spettrofotometro per analisi chimiche (COD e TP), stufa, muffola, micro-gascromatografo per l’analisi del biogas e bomba calorimetrica di Mahler.

Servizi e consulenze: valutazione del potenziale biogas di biomasse e sottoprodotti agro-industriali; determinazione del potere calorifico (e dell’energia lorda) mediante bomba calorimetrica; studi di fattibilità per sistemi di valorizzazione energetica in ambito agricolo.

4. Meccanica agraria e del suolo

Referenti: Prof. Giovanni Molari, Prof. Michele Mattetti, Dr. Massimiliano Varani

Attività: Acquisizione ed elaborazione dei dati da sensoristica integrata (CANBUS/ISOBUS) su macchine agricole, finalizzate al monitoraggio delle prestazioni in condizioni operative reali, al benchmarking e all’individuazione di inefficienze, con sviluppo di strumenti di data analytics per l’ottimizzazione di efficienza, consumi e produttività. Sviluppo di metodologie per la valutazione di affidabilità e durabilità di componenti critici (assali, trasmissioni, cuscinetti), basate sulla definizione di mission profile e sulla costruzione di cicli rappresentativi per test accelerati, con applicazioni alla manutenzione predittiva e alla riduzione dei tempi di sviluppo prodotto. Caratterizzazione sperimentale dei sistemi di trazione (ruote e cingoli), con analisi delle prestazioni di trazione e dell’interazione con il terreno, finalizzata al miglioramento dell’efficienza operativa. Validazione sperimentale in campo di macchine agricole innovative, integrata con analisi dati e modellazione, per la verifica delle prestazioni, il miglioramento continuo del prodotto, l’aumento dell’affidabilità e la riduzione dei costi operativi. Sviluppo di procedure per la valutazione del comfort di marcia delle trattrici, mediante analisi vibrazionali ed ergonomiche, con impatti su sicurezza e produttività dell’operatore. Analisi dell’interazione macchina operatrice–terreno, basata su prove sperimentali in campo e sull’integrazione dei dati operativi con le caratteristiche del suolo, finalizzata all’ottimizzazione progettuale, alla riduzione dei consumi energetici e alla minimizzazione dell’impatto sul suolo

Servizi e consulenze: valutazione delle prestazioni in campo di macchine agricole innovative e loro tecnologie, analisi di dati raccolti in contesti operativi reali e definizione di metriche utili ad analisi tecniche, economiche, di sostenibilità.

Strumentazione

· Accelerometri

· Acquisitori CANBUS

· Apparato di filtrazione

· Attrezzatura per il campionamento disturbato ed indisturbato di suolo

· Banco consolidazione

· Banco prova seminatrice di precisione

· Bilance analitiche

· Bilancia termica

· Bomba calorimetrica di Mahler

· Campionatore automatico refrigerato da campo per prelievo acque

· Cappa da laboratorio

· Celle di carico e torsiometri

· Centrifuga da banco

· Forno a muffola

· Incubatore

· Macchina taglio diretto

· Methan Tube® (Batch)

· Methan Tube® (semi-continuous)

· Micro-Gascromatografo

· Misuratori di portata

· Omogeneizzatore per biomasse

· pHmetro portatile digitale

· Shaker orbitale a temperatura controllata

· Sensori Gamma Ray Spectrometry (GRS)

· Sonde Cosmic Ray Neutron Sensing (CRNS)

· Sonda multiparametrica per la misura di pH/ISE/EC/DO/Torbidità

· Spettrofotometri (da campo e da laboratorio)

· Strumenti per la misura curva di ritenzione idrica del suolo con metodo evaporativo (HYPROP, Meter Group) e curva di ritenzione idrica del suolo con metodo del punto di condensazione (WP4C, Meter Group).

· Strumenti per la tessitura e curva di distribuzione granulometrica del suolo (PARIO, Meter Group)

· Strumento per la misura della conducibilità idraulica satura (KSAT, Meter Group)

· Stufa

· Termostato ad alta temperatura

Attività didattica e formazione

L'attività didattica è indirizzata ai vari livelli di formazione: Lauree, Lauree Magistrali, Dottorato di Ricerca. I laboratori accolgono gran parte dell'attività sperimentali delle tesi di Laurea e di Laurea Magistrale del DISTAL e di Dottorato. Inoltre, sono sede di altre attività relative allo svolgimento del tirocinio pratico-applicativo ed esercitazioni didattiche.