WiH2Sens - Wireless RFID sensing of H2S in working environments

Bando Regione Toscana – euro 103.123,45
PR FESR TOSCANA 2021 – 2027 - AZIONE 1.1.4 RICERCA E SVILUPPO PER LE IMPRESE

dal 07/12/2024 al 6/3/2026.

Responsabile scientifico Filippo Costa.

Il progetto WiH2Sens si propone di sviluppare di una classe di sensori ambientali passivi, a basso costo e di nuova concezione, in grado di monitorare a distanza il livello di gas nocivi in contesti industriali, con particolare attenzione all’ H2S, settore in cui l'azienda richiedente ha consolidata esperienza. Il partenariato si pone l’obiettivo di sviluppare competenze su una famiglia di sensori dedicati alla rilevazione dell’H2S con particolare focus su un nuovo sensore di gas H2S wireless, ad oggi non in commercio, basato su tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification) di nuova generazione, con capacità di rilevamento attivo attivabile con trasferimento di potenza a radiofrequenza senza fili (Wireless Power Transfer - WPT). Nello specifico il progetto, come meglio declinato negli obiettivi operativi, lavorerà sull’implementazione di 3 diverse tipologie di sensore con caratteristiche tecnologiche diverse, così da coprire uno spettro di applicazione molto più vasto. E’ necessaria una fondamentale premessa: col programma R&S POR FESR 2020 la medesima compagine ha già acquisito importanti competenze sul medesimo tema con l progetto FUTURLAB. Il progetto ha permesso di costruire le basi tecnologiche per gli approfondimenti oggetto della presente richiesta, di ottenere una sperimentazione di laboratorio avanzata oltre che di produrre importanti articoli scientifici. Tuttavia, i limiti tecnologici di deposito dei carbonnanotubi e la mancanza di sistemi miniaturizzati al tempo reperibili, non ha permesso di raggiungere pienamente lo step di industrializzazione a cui la compagine punta. Il progetto WiH2Sens si propone di colmare questo gap facendo tesoro di quanto già acquisito e quindi di raggiungere il TRL adeguato per il target industriale. Si ricorda, per meglio contestualizzare l’avanzamento tecnologico oggetto della ricerca, che ad oggi i sensori ambientali tendenzialmente necessitano di alimentazione o batterie e che la lettura a distanza spesso è legata alle condizioni d’impiego della tecnologia oltre che dalle coperture telematiche disponibili. Questo incide operativamente sui costi dei device, sulle tipologie di installazione e sulle modalità d’impiego, soprattutto in contesti industriali. La volontà di maggior impatto scientifico della compagine è proprio quella di continuare ad approfondire la ricerca e lo sviluppo per arrivare ad un sensore semi industriale full chipless (passivo e reattivo) per cui la risposta dei materiali con cui la stessa antenna è depositata su un substrato flessibile, faccia anche da sensore attivo per il rilevamento del reagente in osservazione. Ad oggi la ricerca industriale in materia di RFID con capacità di sensori e ancora di più in materia di tag chipless offre ancora importanti opzioni di accesso al mercato: per tale motivo la compagine desidera incrementare il livello di know how già maturato con precedenti esperienze sul settore, per affrontare nuove ed importanti potenziali aree di business. L'idrogeno solforato (H2S) è un gas infiammabile, esplosivo e rappresenta un rischio ambientale, come nel caso della pioggia acida, quando si verifica una perdita in siti industriali. La capacità umana di percepire l'H2S tramite l'olfatto è limitata a concentrazioni superiori a 0,13 parti per milione (ppm), caratterizzate da un odore di uova marce. L'esposizione a basse concentrazioni di H2S può causare irritazioni agli occhi, mal di gola, tosse, difficoltà respiratorie e ritenzione di liquidi nei polmoni. La necessità di monitorare accuratamente e prevenire le perdite di H2S in ambienti industriali è fondamentale per garantire la sicurezza delle persone e preservare l'ambiente. In commercio esistono numerosi sensori di H2S basati su celle elettrochimiche che funzionano come sensori ambientali e che necessitano di una alimentazione. Per tale motivo, la maggior parte dei sensori H2S sono ti tipo wired ed hanno un costo che oscilla dai 100 agli 800 euro per ciascun esemplare. in funzione della precisione di misura e del range necessario. Esistono in commercio anche nuovi prodotti in grado di fornire una misurazione del livello di H2S mediante sensori miniaturizzati che però devono essere interfacciato con elettronica e schede WiFi per trasmettere il dato in modalità wireless. Il progetto si pone l’obiettivo di superare lo stato dell’arte sopra riportato, sviluppando una famiglia di sensori a basso costo e senza batteria, basato su tecnologia RFID, che possa fornire una lettura a distanza del dato, unitamente ad un codice identificativo che permetta di discriminarne le letture provenienti da sensori multipli. Il sensore RFID proposto avrà un profilo ridotto (massimo 1 mm), leggero (peso minore di 50 g) e quindi facilmente indossabile a differenza dei prodotti commerciali. Il funzionamento senza batterie permetterà inoltre di ridurre fortemente i costi di manutenzione del sistema di monitoraggio basato sui sensori proposti, superando tale aspetto con il basso costo e quindi la facile sostituibilità in caso di usura o saturazione. Il progetto mira quindi a: O1. Integrare sensori commerciali innovativi con footprint miniaturizzato prodotti dall’azienda Amphenol con RFID tag ad alte prestazioni recentemente commercializzati dall’azienda francese ASYGN al fine di ottenere una lettura a distanza del sensore H2S unitamente ad un codice identificativo associato al tag RFID che permette di discriminare letture provenienti da sensori multipli. O2. Creare un sensore indossabile compatto e flessibile che può essere integrato nelle divise dei lavoratori. O3. Sviluppare, sfruttando i risultati ottenuti in un precedente progetto regionale (Futuralab), un sensore reattivo full chipless a basso costo di H2S mediante deposizione di materiali sensibili al gas di interesse (nanotubi di carbonio – Carbon Nano Tube - CNT, Acetato di rame – CuAc, Ossido di rame – Cuo) su elettrodi interdigitati O4. Verificare sperimentalmente le tipologie di soluzione di rilevamento realizzate nelle fasi di ricerca industriale e relativo sviluppo sperimentale in un contesto applicativo reale. I sensori RFID attivi e chipless che si otterranno con il progetto, potranno fornire una lettura a distanza del sensore unitamente ad un codice identificativo che permette di discriminare letture provenienti da sensori multipli. Ulteriore obiettivo del progetto è quello di creare un sensore indossabile che può essere integrato nelle divise dei lavoratori. A tal fine sarà sviluppata l’antenna del tag su supporto flessibile ed interfacciata ad un Integrated Circuit (IC) commerciale in grado di interfacciarsi con unità esterne. Il primo obiettivo consiste nell’interfacciare innovativi sensori commerciali miniaturizzati (1 cm x 1 cm) con l’IC in grado di leggere l’output del sensore ed integrarlo all’interno del protocollo RFID. Il sensore sarà in grado di funzionare in assenza di batteria in quanto L’IC converte parzialmente i segnali radio inviati dal lettore in una corrente continua che alimenta il microchip, sfruttando quindi il principio di trasferimento di potenza a radiofrequenza senza fili (Wireless Power Transfer - WPT). Il sistema di lettura a radiofrequenza è compatibile con i normali lettori RFID commerciali. I tag vengono letti da lettori ad una distanza di circa 5 m attraverso un segnale radio che attiva l'antenna del tag.