Light emitting diodes and lasers for high-speed underwater optical communications

During the last decade, a lot of research has been carried-out around Underwater Wireless Optical Communications (UWOC) as they are considered as a promising technology for high data rate transmission in underwater environments

The green solar collector: optimization of microalgal areal productivity

De Groene Zonnecollector (GZC) is een fotobioreactor die is ontworpen voor efficiënte teelt van microalgen op zonlicht. De zon wordt gevolgd door lenzen die het zonlicht op zogenaamde light guides focussen en waarin het licht reflecteerd en naar de algen geleid wordt. Ray-tracing simulaties laten zien dat bij een hogere zonnestand het zonlicht efficient wordt ingevangen en met een lagere intensiteit aan de algen wordt aangeboden. Deze vermindering van de intensiteit van zonlicht resulteert in hogere opbrengsten, als de bijbehorende biomassa concentratie en lichtweg verder is geoptimaliseerd. Een lage biomassa concentratie zal leiden tot grote reactorvolumes. Hoge biomassa dichtheden hebben dan ook de voorkeur. Echter, wanneer hoge biomassa concentraties worden gecombineerd met een grote lichtweg, dan is de gemiddelde lichtintensiteit in de fotobioreactor te laag. Dit zal leiden tot een geringe specifieke groeisnelheid en door de energiebehoefte voor onderhoud zal dit resulteren in een verlaging van de productiviteit

III-nitride LEDs and lasers for underwater wireless optical communications

This thesis delves into the deployment of III-nitride micro-LED and laser-based devices for Underwater Wireless Optical Communications (UWOC), an emerging field with considerable potential for underwater data transfer. UWOC offers a compelling solution owing to the vast bandwidth available in the visible spectrum (hundreds of THz), the substantial modulation bandwidth of micro-GaN-based devices (hundreds of MHz), and the underwater “window” characterised by low light attenuation at visible wavelengths. Throughout this thesis, extensive experiments were conducted within a 1.5 m water tank, employing various transmitters (Tx’s) and receivers (Rx’s). The results showcase error-free data transmission rates in the gigabits per second (Gb/s) and megabits per second (Mb/s) range, even in the presence of varying water turbidity levels and attenuation lengths (ALs). Notably, data rates of 4.92 Gb/s and 1.32 Gb/s were achieved using a series-connected micro-LED array of 6 pixels, spanning distances of 1.5 m and 4 m, respectively, and achieved 15 Mb/s over 5.33 ALs. Different underwater conditions, influenced by water turbidity, lead to distinct light attenuation minima underwater. Consequently, I highlight the applicability of wavelength division multiplexing (WDM) in real UWOC scenarios. Using transfer-printed (TP) dual-colour micro-LED arrays, data rates of 200 Mb/s were demonstrated over 8.5 ALs. In most UWOC scenarios, establishing a reliable point-to-point underwater link is challenging due to the unpredictable subsea environment and terrestrial weather conditions. To mitigate this, I introduced the deployment of a diffusing fibre coupled with a laser diode, functioning as a Tx for omnidirectional data transmission (underwater “beacon”). This approach circumvented the alignment restrictions between the Tx and Rx, and data at 5 Mb/s were successfully transmitted over 11.81 ALs, showcasing the robustness of this solution.This thesis delves into the deployment of III-nitride micro-LED and laser-based devices for Underwater Wireless Optical Communications (UWOC), an emerging field with considerable potential for underwater data transfer. UWOC offers a compelling solution owing to the vast bandwidth available in the visible spectrum (hundreds of THz), the substantial modulation bandwidth of micro-GaN-based devices (hundreds of MHz), and the underwater “window” characterised by low light attenuation at visible wavelengths. Throughout this thesis, extensive experiments were conducted within a 1.5 m water tank, employing various transmitters (Tx’s) and receivers (Rx’s). The results showcase error-free data transmission rates in the gigabits per second (Gb/s) and megabits per second (Mb/s) range, even in the presence of varying water turbidity levels and attenuation lengths (ALs). Notably, data rates of 4.92 Gb/s and 1.32 Gb/s were achieved using a series-connected micro-LED array of 6 pixels, spanning distances of 1.5 m and 4 m, respectively, and achieved 15 Mb/s over 5.33 ALs. Different underwater conditions, influenced by water turbidity, lead to distinct light attenuation minima underwater. Consequently, I highlight the applicability of wavelength division multiplexing (WDM) in real UWOC scenarios. Using transfer-printed (TP) dual-colour micro-LED arrays, data rates of 200 Mb/s were demonstrated over 8.5 ALs. In most UWOC scenarios, establishing a reliable point-to-point underwater link is challenging due to the unpredictable subsea environment and terrestrial weather conditions. To mitigate this, I introduced the deployment of a diffusing fibre coupled with a laser diode, functioning as a Tx for omnidirectional data transmission (underwater “beacon”). This approach circumvented the alignment restrictions between the Tx and Rx, and data at 5 Mb/s were successfully transmitted over 11.81 ALs, showcasing the robustness of this solution

Droplet levitation and underwater plastron restoration using aerophilic surface textures

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 2018.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (pages 155-167).This thesis explores the use of active components in liquids and responsive surfaces to resist the wetting of water on solid surface textures. When a superhydrophobic surface comes into contact with water, it traps a thin layer of air (plastron) within its surface texture. This entrapped air is advantageous for reducing the contact line pinning of water droplets on the surface and lowering the skin friction drag experienced by the surface underwater. However, these aerophilic textures are prone to impregnation by water due to turbulent pressure fluctuations from external flows and dissolution of the trapped gas into the water. It is therefore desirable to develop strategies to restore the plastron underwater. A common method used to reduce the contact line pinning of water droplets on surfaces is the Leidenfrost effect, wherein the droplets are levitated on a cushion of vapor over the surface. But this typically requires the substrate to withstand high temperatures and also results in the loss of the droplet volume due to thermal evaporation. In this work, we explore new methodologies for locally generating gas near superhydrophobic surfaces to achieve room temperature droplet levitation and recover submerged superhydrophobic surfaces from wetting failure. In the first part of this thesis, we explore a novel chemical method to replenish the plastron in situ on superhydrophobic textures which have undergone a Cassie-to-Wenzel transition underwater. We use the decomposition reaction of hydrogen peroxide on superhydrophobic surfaces prepared with a catalytic coating to generate oxygen gas for plastron recovery. We also provide a thermodynamic framework for designing superhydrophobic surfaces with optimal texture and chemistry for underwater plastron regeneration. We finally demonstrate the practical utility of this method by fabricating periodic microtextures on aluminum surfaces that incorporate a cheap catalyst, manganese dioxide. We perform drag reduction experiments under turbulent flow conditions in a Taylor-Couette cell which show that more than half of the drag increase ensuing from plastron collapse can be recovered spontaneously using this method. In the second part of this thesis, we demonstrate room-temperature Leidenfrost effect by using carbonated water droplets on superhydrophobic surfaces. We observe the levitation-to-wetting transition of these degassing droplets using light interferometry on transparent superhydrophobic substrates. We characterize the timescales of wetting transitions with respect to the concentration of dissolved carbon dioxide, and show that a critical dissolved CO₂ concentration of at least 10 mM is required for achieving droplet levitation. We also derive a model based on lubrication theory combined with a lumped capacitance approach to predict the levitation time of degassing droplets. We finally display the practical utility of this phenomena for reducing friction between droplets and surfaces, droplet sorting, droplet self-propulsion, and triggering on-demand droplet levitation using chemical reactions.by Divya Panchanathan.Ph. D

Influência das condições de cultivo da microalga Dunaliella tertiolecta na produção de carotenoides e lipídios

A microalga marinha Dunaliella tertiolecta é um microrganismo unicelular fotossintético capaz de fixar dióxido de carbono da atmosfera e proveniente de gases de exaustão industrial e utilizá-lo como única fonte de carbono para o aumento da biomassa. Enquanto isso, além de biomassa, também é capaz de produzir quantidades consideráveis de carotenoides e lipídios, entre outras substâncias de grande interesse para indústrias alimentícias e farmacêuticas que buscam a utilização cada vez maior de compostos de fontes naturais em suas formulações. Neste trabalho foram estudados os efeitos da salinidade do meio (em concentração molar de NaCl), da temperatura, da intensidade de luz, da fonte e concentração de nitrogênio no cultivo da D. tertiolecta em fotobiorreator airlift, buscando o aumento na produção de biomassa, carotenoides e lipídios, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Inicialmente, a influência da temperatura e da concentração salina foi estudada através de experimentos com meio de cultura f/2 padrão, com diferentes concentrações salinas. A temperatura e a concentração salina influenciaram de forma diferente os resultados obtidos. A temperatura teve forte influência na produção de biomassa, na biofixação de dióxido de carbono e na produção de lipídios pelas células. Por outro lado, a salinidade teve forte influência na produção dos carotenoides. A partir da avaliação e combinação dos resultados, foram determinadas as condições apropriadas de temperatura e salinidade do meio para maior produção de biomassa, lipídios e carotenoides simultaneamente: 28 °C e 0,715 M de NaCl. Seis carotenoides foram identificados por CLAE no extrato de D. tertiolecta: transluteína, trans-β-caroteno, trans-zeaxantina, trans-anteraxantina, trans-neoxantina e 9-cis-β-caroteno. Os carotenoides trans-luteína, trans-β-caroteno e trans-zeaxantina foram quantificados. As maiores quantidades de luteína, β-caroteno e zeaxantina obtidas nos experimentos foram, respectivamente, 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 e 244 ± 76 μg g-1. A partir destes resultados, cultivos foram realizados variando-se intensidade de luz e fonte e concentração de nitrogênio a fim de determinar a influência destes parâmetros. A intensidade de luz de 17,5 klx e concentração inicial de nitrato de sódio de 300 mg L-1 resultou nas maiores produtividades de biomassa (0,176 ± 0,005 g L-1 d-1), carotenoides (0,738 ± 0,038 mg L-1 d-1) e lipídios (16,68 ± 1,50 mg L-1 d-1). Os dados experimentais desses cultivos foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura, os modelos propostos apresentaram melhor ajuste para diferentes concentrações de nitrato de sódio testadas, com reduzido número de parâmetros.The marine microalgae Dunaliella tertiolecta is a unicellular photosynthetic microorganism that can fix carbon dioxide from the atmosphere and from industrial exhaust gases, using it as the solely carbon source to increase biomass. Meanwhile, more than biomass, this microorganism also can produce great amounts of carotenoids, lipids and other substances of interest to pharmaceutical and food industries that seek to increase the use of compounds derived from natural sources in their formulations. In this work, the effects of medium salinity (in molar concentration of NaCl), temperature, light intensity and nitrogen source and concentration over the cultivation of D. tertiolecta in an airlift photobioreactor were studied aiming the increase of biomass, carotenoids and lipids production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. Initially, the influence of temperature and salt concentration was studied by experiments with standard f/2 culture medium, with different salt concentrations. Temperature and salt concentration differently affected the results. Temperature had a strong effect on biomass production, carbon dioxide biofixation and lipid production by the cells. On the other hand, salinity showed strong effect on carotenoid production. The appropriate temperature and medium salinity to increase simultaneously biomass, lipids and carotenoids was 28 °C and 0.715 M NaCl. Six carotenoids were identified in the extract of D. tertiolecta by HPLC: all-trans-lutein, all-trans-β-carotene, alltrans- zeaxanthin, all-trans-antheraxanthin, all-trans-neoxanthin and 9-cis-β-carotene. The carotenoids all-trans-lutein, all-trans-β-carotene and all-trans-zeaxanthin were quantified. The highest amount of lutein, β-carotene and zeaxanthin reached in the experiments were 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 and 244 ± 76 μg g-1, respectively. From these results, cultures were performed by varying light intensity and nitrogen source and concentration to determine the influence of these parameters. A light intensity of 17.5 klx and initial sodium nitrate concentration of 300 mg L-1 resulted in the highest biomass (0.176 ± 0.005 g L-1 d-1), carotenoid (0.738 ± 0.038 g L-1 d-1) and lipid (16.68 ± 1.50 g L-1 d-1) productivities. The experimental data of these cultures were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models showed better fitting for different sodium nitrate concentrations tested with reduced number of parameters

Producción de biomasa de microalgas rica en carbohidratos acoplada a la eliminación fotosintética de CO2

Tesis descargada desde el portal CSICLa reducción de los niveles atmosféricos de dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, es un objetivo prioritario de alcance global. El nivel de atmosférico de CO2 ha estado históricamente comprendido entre 180 y 260 ppm. Sin embargo, a lo largo de los cien últimos años su concentración ha aumentado hasta alcanzar las actuales 380-400 ppm, subida en la que parece existir un fuerte componente antropogénico. Las principales fuentes antropogénicas de emisión de CO2 son las centrales termo-eléctricas y el transporte .El actual ritmo de emisiones de CO2 junto a otros gases de efecto invernadero (GEI) como CH4, CFCs, SFx puede afectar gravemente a los ciclos biogeoquímicos del planeta, causando estragos en la biosfera y el ser humano. Algunos autores denominan a esta nueva época geológica altamente influenciada por la actividad humana como el antropoceno. El panel intergubernamental para el cambio climático (IPCC) pronostica escenarios diversos en los que las actividades humanas se verán muy afectadas debido a los cambios producidos en los ecosistemas y el clima. Para poder alcanzar una sostenibilidad económica y medioambiental es necesario tanto aumentar el uso de energías renovables como desarrollar eficaces tecnologías para el secuestro de CO2. A tal fin se hace necesario desarrollar procesos que permitan eliminar el CO2 de los gases generados industrialmente. Aunque se han propuesto y ensayado algunas opciones, como el uso de tecnologías que minimizan las emisiones de dióxido de carbono o el secuestro abiótico del mismo, ninguna puede considerarse como definitiva. Una aproximación científico-técnica a este problema consiste en la utilización de microorganismos fotosintéticos (cianobacterias y microalgas) para retirar CO2. Estos microorganismos se caracterizan por ser los más eficientes fijadores de CO2 del planeta, poseer mayor tasa de crecimiento que el resto de vegetales, soportar mejor las condiciones climáticas adversas y ser metabólicamente muy flexibles. Gracias a esta última cualidad, las microalgas y cianobacterias pueden ser fuente de compuestos de interés comercial, como ácidos grasos y aminoácidos esenciales, pigmentos, vitaminas, polisacáridos, moléculas bioactivas, hidrógeno e hidrocarburos. Así mismo, diversos estudios indican su capacidad para crecer a altas concentraciones de CO2 y de tolerar SOx, NOx y COV (compuestos orgánicos volátiles) presentes en los gases de combustión. Además, el cultivo de microalgas presenta otras ventajas ya que no compite con la agricultura por terreno, agua y otros recursos. Sin embargo, la puesta en marcha de estas tecnologías requiere una completa caracterización de los procesos y sistemas para la biomitigación de CO2 mediante cultivos de microalgas. La finalidad de este estudio fue evaluar la viabilidad de sistemas de cianobacterias y/o microalgas para la producción de materia orgánica rica en carbohidratos, acoplada a la eliminación del CO2 presente en mezclas gaseosas procedentes de emisiones industriales. Para ello, se seleccionó las cianobacterias y/o microalgas más idóneas, así como se profundizó en el manejo de su cultivo y en el conocimiento de factores determinantes que maximizaron la producción de biomasa y compuestos orgánicos de interés energético. La primera aproximación fue una preselección de especies de microalgas y cianobacterias con una elevada tasa de crecimiento y fijación de dióxido de carbono, basándose en una extensa revisión bibliográfica. Concretamente se preseleccionaron once especies, seis cianobacterias (pertenecientes a los géneros Nostoc, Anabaena, Spirulina) y cinco microalgas (Gn. Chlorella, Scenedesmus, Porphyridium). Seleccionados estos microorganismos, se llevaron a cabo estudios para evaluar su comportamiento en régimen estanco y continuo. De las estirpes ensayadas, se seleccionaron dos estirpes, las más prometedoras para abarcar el objetivo propuesto, concretamente dos microalgas, Scenedesmus vacuolatus y Chlorella vulgaris cuyas características las hacían más adecuadas para destinarlas a la generación de biomasa rica en carbohidratos con CO2 como fuente de carbono. Debido a la capacidad de S.vacuolatus para flocular y sedimentar de manera natural, se centró inicialmente el estudio en ella. El régimen de operación en continuo es el más idóneo para conseguir la mayor eficiencia en los cultivos de microalgas. De manera secuencial, se evaluó el efecto que tienen las diferentes variables de cultivo sobre las microalgas seleccionadas. Se estudió el efecto de pH, temperatura, velocidad de dilución, irradiancia media incidente, y posteriormente, en el caso de C.vulgaris, la disponibilidad de nitrato medida como SEN. Para Scenedesmus vacuolatus, en condiciones óptimas, esto es, 0,6d-1, 20mM NO3- , 3000¿E m-2 s-1, 30ºC, pH 7,5, se alcanzaron valores de 0,6 g l-1 d-1 para la productividad de biomasa y de 1,2 g l-1 d-1 para la tasa de fijación de CO2. A pesar que fue factible el cultivo en régimen continuo de S.vacuolatus usando como fuente de carbono el CO2 contenido en mezclas de gases de emisiones de origen industrial, fue conveniente diluir esta mezcla gaseosa para garantizar la viabilidad de los cultivos. A pesar de las excelentes bondades que mostró S.vacuolatus en cultivos al interior, los cultivos al exterior fueron sensibles a contaminación por diversos microorganismos, lo que puede comprometer la utilización de esta microalga en procesos que requieran que se cultive en sistemas abiertos. Se pasó a caracterizar la otra microalga que presentaba un gran potencial. El principal factor condicionante para el crecimiento de Chlorella vulgaris, como la fijación de CO2 por sus cultivos fue la irradiancia promedio, seguido en importancia por temperatura, disponibilidad de nitrógeno y pH. Operando en las condiciones fijadas como óptimas, (0,5d-1, 20mM NO3- , 3000¿E m-2 s-1, 20ºC, pH 7,5) la productividad resultante fue de 0,7 g biomasa l-1 d-1, siendo la tasa de fijación de CO2 de 1,3 g l-1 d-1. Al igual que en el caso de S.vacuolatus, los cultivos de Chlorella vulgaris fueron viables usando como fuente de carbono el CO2 contenido en emisiones industriales siempre que éstas fueran diluidas en la inyección en el cultivo. Para ambas estirpes se desarrollaron de modelos matemáticos de comportamiento respecto a distintas variables permitiendo así, predecir la productividad de biomasa y tasa de fijación de CO2 de los cultivos en función de dichas variables. El modelo propuesto, tanto para Scenedesmus vacuolatus como para Chlorella vulgaris, asignó los mayores valores de productividad para el valor más elevado de irradiancia incidente máxima (3000 ¿E m-2 s-1) y para una velocidad de dilución de 0,5 d-1. Los valores predichos fueron análogos a los registrados experimentalmente. En el caso de Chlorella vulgaris, se estudiaron las variables que condicionan la acumulación de almidón en sus cultivos continuos: velocidad de dilución y suministro especifico de nitrato (SEN). Se desarrolló así mismo, un modelo matemático que permitió predecir las condiciones óptimas para la acumulación de este valioso producto del metabolismo fotosintético. En los cultivos al exterior y bajo las condiciones climáticas predominantes en Sevilla, Chlorella vulgaris se pudo cultivar a lo largo de todo el año, tanto en estanques abiertos sin control de temperatura como en reactores planos verticales atemperados, sin problemas de contaminación. Es en este último tipo de reactor donde C.vulgaris ofreció mayor rendimiento. Se estimó que la tasa promedio anual de fijación de carbono puede llegar a ser de 8 g de CO2 m-2 d-1 en estanque abierto, siendo 2,5 veces mayor en el rector plano vertical, por lo que este último sistema es idóneo para su empleo en procesos de captación del CO2 presente en emisiones industriales. De esta manera, se estima que los cultivos de Chlorella vulgaris en reactor plano vertical podrían asimilar hasta 3,3kg de CO2 m-2 año-1. De este estudio, se puede concluir que Scenedesmus vacuolatus y Chlorella vulgaris pueden ser excelentes sistemas para la generación de biomasa acoplada a la eliminación fotosintética de dióxido de carbono. Si bien, el desarrollo de una tecnología basada en la primera especie implicaría la utilización de reactores cerrados que previniesen la aparición de contaminantes que pusieran en riesgo la viabilidad de los sistemas. En cambio, Chlorella vulgaris presenta unas características que la hacen especialmente atractiva debido a su flexibilidad en las condiciones de cultivo, su robustez en cultivos a la intemperie y la posibilidad de producir compuestos de interés industrial como puede ser el almidón, valorizando así el CO2 en un producto de alto valor

Solar Power

A wide variety of detail regarding genuine and proprietary research from distinguished authors is presented, ranging from new means of evaluation of the local solar irradiance to the manufacturing technology of photovoltaic cells. Also included is the topic of biotechnology based on solar energy and electricity generation onboard space vehicles in an optimised manner with possible transfer to the Earth. The graphical material supports the presentation, transforming the reading into a pleasant and instructive labor for any interested specialist or student