L’infrastruttura computazionale trasversale

Uno degli obiettivi fondamentali dell’iniziativa IEMAP è stato la realizzazione di una infrastruttura computazionale trasversale, concepita come elemento abilitante per tutte le attività di ricerca sui materiali per l’energia.
Questa infrastruttura costituisce il cuore digitale della piattaforma e rappresenta uno dei principali risultati del progetto.

L’infrastruttura è basata su due componenti strettamente integrate:

• un database (DB) condiviso, accessibile a tutti i servizi della piattaforma, progettato per raccogliere, organizzare e rendere riutilizzabili dati sperimentali e computazionali;
• un workflow intelligente, che agisce come “regista” delle diverse attività, coordinando modellistica, sperimentazione e analisi dei risultati.

Il workflow è guidato da Intelligenza Artificiale e tecnologie Big Data, che consentono di “imparare” progressivamente dai dati prodotti e di ottimizzare, iterazione dopo iterazione, la progettazione dei nuovi materiali. Il motore computazionale dell’infrastruttura è il supercomputer CRESCO, installato presso il Centro Ricerche di ENEA a Portici, sul quale vengono implementate tecnologie di High Performance Computing (HPC) sia per la gestione dei dati sia per lo sviluppo e l’esecuzione di codici avanzati di modellistica molecolare e dei materiali.

Un obiettivo chiave di IEMAP è stato strutturare la piattaforma per supportare un processo ciclico e iterativo di scoperta dei materiali, in cui le diverse fasi della ricerca non operano in modo isolato, ma sono strettamente interconnesse.

Il processo si articola in tre fasi operative principali:

1. attività di modellistica del materiale, per prevedere proprietà e prestazioni attese;
2. sintesi e caratterizzazione sperimentale, per validare e arricchire i modelli con dati reali;
3. valutazione dell’impatto ambientale, per integrare fin dalle prime fasi criteri di sostenibilità.

Qualora un materiale non soddisfi i requisiti dell’applicazione prevista, il processo viene automaticamente reiterato: le informazioni raccolte alimentano nuovamente la modellistica, che fornisce indicazioni più mirate per indirizzare le successive attività sperimentali.
Questo ciclo viene ripetuto fino all’identificazione di insiemi di materiali ottimizzati, capaci di rispondere in modo bilanciato a requisiti di prestazione, sicurezza, sostenibilità e potenziale industriale.

Materiali per l’accumulo elettrochimico (batterie)

Nel settore dell’accumulo elettrochimico, IEMAP ha avuto come obiettivo lo sviluppo di approcci accelerati e automatizzati per l’individuazione di materiali innovativi lungo l’intera catena del valore delle batterie.

Le attività si sono concentrate su:

• materiali catodici, attraverso lo sviluppo di sistemi di sintesi e caratterizzazione automatizzata ad elevate prestazioni;
• elettroliti innovativi, in particolare liquidi ionici, sintetizzati e caratterizzati mediante processi automatizzabili;
• materiali anodici, con la produzione e il testing rapido di polveri di silicio a granulometria e composizione chimica controllata.

Un ulteriore obiettivo rilevante è stato lo sviluppo di una metodologia automatizzabile per la formulazione di inchiostri, finalizzata alla produzione di elettrodi mediante stampa rotocalco, tecnologia di grande interesse industriale.
Infine, il progetto ha posto le basi per un processo sostenibile di recupero dei materiali da sistemi di accumulo elettrochimico a fine vita, contribuendo in modo concreto ai principi dell’economia circolare.

Materiali per gli elettrolizzatori

Per quanto riguarda gli elettrolizzatori, l’obiettivo di IEMAP è stato supportare lo sviluppo di materiali avanzati per la produzione di idrogeno, tecnologia centrale per la transizione energetica.

Le attività hanno riguardato:

• elettrolizzatori a bassa temperatura, sia alcalini a membrana (AEM) sia polimerici (PEM);
• elettrolizzatori ad alta temperatura (PCE).

Nel caso degli AEM, l’attenzione si è concentrata sulla sintesi automatizzata di membrane composite a scambio anionico.
Per i PEM, l’obiettivo è stato la riduzione dell’uso di materiali critici (CRM) tramite la sintesi di catalizzatori innovativi mediante tecniche di deposizione rapida, adatti anche a elettrolizzatori rigenerativi.
Per i PCE, il progetto ha mirato allo sviluppo di elettrodi ed elettroliti a conduzione mista protonica-elettronica, esplorando diversi metodi di sintesi e integrando interfacce basate su tecniche di machine learning.

Materiali per il fotovoltaico

Nel settore fotovoltaico, IEMAP ha perseguito l’obiettivo di sviluppare soluzioni avanzate e sostenibili, orientate sia alle applicazioni utility-scale sia alla building integration (BIPV).

In particolare, sono state sviluppate e investigate:

• celle solari innovative a film sottile di perovskite, mediante processi compatibili con la produzione industriale;
• metodologie sostenibili per il recupero dei materiali da pannelli fotovoltaici a fine vita;
• dispositivi fotovoltaici InGaP/Si, destinati a pannelli a concentratori luminescenti;
• dispositivi ibridi e integrati PV–accumulo, a due e tre terminali, per una gestione più efficiente dell’intermittenza della fonte solare, adatti anche ad applicazioni indoor e BIPV

Finalità future e prospettive post-progetto

Un obiettivo strategico di IEMAP è la sua continuità oltre la durata del progetto. La piattaforma è stata concepita come infrastruttura aperta, modulare e scalabile, capace di:

• accogliere nuovi ambiti applicativi nel settore energia e oltre;
• coinvolgere ulteriori laboratori, enti di ricerca e partner industriali;
• fungere da punto di riferimento nazionale per la scoperta accelerata dei materiali.

Nel periodo post-progetto, IEMAP si propone di consolidarsi come ecosistema permanente di ricerca e innovazione, a supporto della transizione energetica, della competitività industriale e della formazione di nuove competenze.

A supporto di questi obiettivi, sono e saranno prodotti rapporti tecnici, pubblicazioni scientifiche e divulgative, nonché contributi a congressi nazionali e internazionali, rafforzando il ruolo di IEMAP come piattaforma di riferimento nel panorama europeo dei materiali per l’energia.