Projets novateurs réalisés

Les carburants à base d’hydrocarbures sont la principale source d’énergie de l’humanité depuis des siècles. Cependant, au cours du siècle dernier, l’utilisation de ces combustibles a augmenté de façon exponentielle et la demande énergétique ne cesse de croître. Les carburants hydrocarburés sont la principale source d’émissions de gaz à effet de serre qui affectent gravement le climat mondial et mettent en péril l’environnement de vie des générations futures. Tous ces enjeux suscitent une préoccupation croissante quant à la recherche de carburants alternatifs appropriés capables de remplacer avec succès les carburants conventionnels utilisés dans un large éventail d’applications, de la production d’électricité aux applications automobiles et aérospatiales. Parmi les carburants alternatifs testés ou proposés, l’hydrogène est un candidat prometteur.

Parmi d’autres méthodes, l’électrolyse de l’eau est une technologie intéressante pour la production d’hydrogène.  L’évolution électrochimique de l’hydrogène implique plusieurs étapes intermédiaires avec l’hydrogène chimisorbé sur la surface métallique. L’énergie de liaison entre le métal et l’hydrogène contrôle la vitesse de réaction. Une énergie de liaison trop faible ou trop élevée entraîne de faibles taux d’évolution de la réaction de l’hydrogène. Le platine possède des énergies de liaison moyennes pour l’hydrogène et constitue le meilleur électrocatalyseur pour la production d’hydrogène. Cependant, le platine est un élément extrêmement rare et il y a un besoin urgent de trouver des alternatives. Un candidat intéressant est le nickel.  Le nickel est intéressant non seulement pour son activité électrocatalytique, mais aussi pour sa stabilité dans des solutions alcalines fortes à des températures élevées (condition typique dans la production industrielle d’hydrogène par électrolyse). Contrairement au platine, aucune contrainte d’approvisionnement en nickel à long terme n’est attendue. Le Canada produit environ 30% de l’approvisionnement mondial en nickel.

Le candidat retenu développera des électro-catalyseurs nanostructurés en nickel par technologie de pulvérisation thermique.

La technologie de pulvérisation thermique permet de former des revêtements poreux et nano-structurés de divers métaux. Le candidat apprendra à utiliser cette technologie et, sur la base de son plan expérimental élaboré, explorera systématiquement l’activité des revêtements. Les échantillons seront préparés en interne et/ou en collaboration avec un partenaire industriel. Pendant le stage, le candidat travaillera en étroite collaboration avec le centre de catalyse de l’Université d’Ottawa, où il/il réalisera des cautérisations microscopiques, c’est-à-dire  l’électronique à balayage (SEM), la microscopie électronique à transmission (TEM), l’imagerie par microscopie électronique à haute résolution (HRTEM) et l’analyse par diffraction des rayons X (XRD). Les caractérisations de l’activité électrochimique impliquent la détermination réelle de la surface électroactive (par démontage de CO), l’analyse par diagrammes de Tafel et la détermination de la densité de courant d’échange.

On s’attend d’abord à ce que l’élève apprenne les techniques utilisées dans la recherche mentionnée ci-dessus.  Ensuite, on s’attend à ce que l’étudiant implémente un algorithme et fasse une étude expérimentale. Si le temps le permet, l’étudiant sera mentoré pour concevoir un algorithme afin de calculer des sous-graphes plans clairsemés.

Les systèmes temps réel sont construits comme des ensembles de composants interagissant avec leur environnement. Dans la plupart des cas (y compris la robotique, le contrôle du trafic, la fabrication et les applications industrielles, etc.), ces applications doivent satisfaire à des contraintes de temporisation « strictes ». Si ces contraintes ne sont pas respectées, les décisions du système (même correctement calculées) peuvent entraîner des conséquences catastrophiques pour les biens ou les vies. Le développement de contrôleurs temps réel dans des environnements distribués s’est avéré être une tâche très complexe, tant en termes de difficultés de développement que de coûts associés. Nous avons mis en place une nouvelle méthode systématique et des outils automatisés associés pour développer des applications de contrôle en temps réel strict, réduisant à la fois les coûts de développement et les délais de livraison. Nous utilisons une méthodologie basée sur la simulation pour le développement, remplaçant progressivement les composants simulés par leurs équivalents réels interagissant avec l’environnement environnant.

Actuellement, la mise en œuvre de systèmes d’information de navigation – parfois appelés « GPS » ou GNSS (Global Navigation Satellite Systems) pour plus de commodité – connaît des transitions importantes.  D’autres constellations de satellites sont proposées et déployées de manière agressive (Glonass, Galileo, Compass, SBAS).  De plus, la technologie de localisation est rapidement intégrée dans l’espace grand public grâce à la mise en œuvre dans les téléphones cellulaires, les automobiles, la surveillance, le suivi et les produits de navigation autonomes – offrant et permettant toute une nouvelle catégorie d’applications appelées Services basés sur la localisation (LBS).  Le développement, la fabrication et la mise en déploiement efficaces de ces systèmes nécessitent de nouvelles techniques de test qui modélisent les conditions réelles attendues afin d’évaluer la performance, la disponibilité et la précision.  Dans ce contexte, la génération de signaux GNSS est essentielle et la capacité de ces générateurs à dupliquer des conditions réelles est particulièrement importante. Cependant, augmenter le nombre de constellations, et donc de signaux à générer, pose un défi considérable car le matériel l’exigeait. La pratique courante à cet égard a été d’utiliser une interface informatique standard qui contrôle une ou plusieurs cartes numériques dédiées au traitement du signal pour effectuer le traitement du signal en temps réel requis. L’augmentation du nombre de constellations/canaux satellites peut donc être gérée en augmentant le nombre de cartes dédiées. Cette approche est assez directe et présente un risque relativement faible. Cependant, cela peut être coûteux puisque les cartes requises sont généralement spécialisées (généralement basées sur FPGA).

À l’École de technolgie supérieure, nous avons développé un prototype fonctionnel d’un simulateur multi-constellations.  Afin de maximiser la performance de ce prototype de simulateur, ces projets de recherche visent à étudier l’utilisation de processeurs multi-cœurs et/ou de GPU haute performance (unités de traitement graphique) pour effectuer davantage de tâches de calcul et de traitement du signal dans l’interface informatique, réduisant ainsi le besoin de cartes de traitement du signal temps réel dédiées et coûteuses. Par conséquent, une distribution optimale de la charge de calcul entre CPU/GPU et FPGA doit d’abord être recherchée au niveau architectural, puis implémentée et testée.

L’étudiant collaborera avec d’autres membres de l’équipe pour quantifier les exigences computationnelles de la génération de signaux GNSS multicanaux (en se concentrant sur un scénario GPS L1 à 12 canaux), déterminer la distribution optimale CPU/GPU par rapport au FPGA de la charge de calcul et implémenter et tester le scénario GPS L1 à 12 canaux en utilisant la distribution proposée de (2)

Dans un scénario typique, un grand système logiciel hétérogène, installé sur de nombreux sites différents et composé de plusieurs composants interactifs, échangeant des données avec plusieurs protocoles différents, doit être mis à jour pour corriger certains défauts, ajouter de nouvelles fonctionnalités ou remplacer certains composants obsolètes sans casser le système et tout en conservant sa fiabilité.

Ce projet de recherche vise à développer des approches pour augmenter substantiellement l’efficacité de la gestion des changements pour les systèmes logiciels à haute fiabilité, tels que les systèmes avioniques, les systèmes de navigation de contrôle ou les applications distribuées critiques de l’entreprise. Nous mettrons particulièrement l’accent sur les défis liés à la mise à jour des systèmes logiciels multicomposants; des systèmes qui incluent une grande quantité de composants avec la liste non exhaustive suivante de caractéristiques difficiles : Différents langages; Fonctionner sur différents systèmes d’exploitation; Construit par des tiers; En utilisant un protocole de communication différent; Distribué sur les processeurs.

Les activités du projet seront réalisées en collaboration avec des partenaires industriels, en particulier CAE Inc. et CS Communications Canada ont manifesté un vif intérêt pour ce projet. Après une première phase durant laquelle des approches et technologies seront développées à l’aide de systèmes open source, les partenaires industriels choisiront et détailleront les scénarios industriels typiques de mises à jour logicielles. Les partenaires académiques utiliseront ces scénarios comme un « banc d’essai » pour évaluer la pertinence des solutions ainsi que comme source d’information pour construire la solution.

Ce projet de recherche comprend des études de cas et des expériences en laboratoire avec des étudiants et des développeurs professionnels ainsi que la construction d’outils. Nous nous attendons à ce que les étudiants travaillent sur les aspects théoriques, la mise en œuvre et les expériences nécessaires pour étudier et caractériser les systèmes logiciels utilisés dans les systèmes distribués à haute fiabilité; étudier et caractériser la composantisation, la redondance, le couplage, la cohésion et la criticité des systèmes thématiques; étudier, définir et développer des analyses appropriées de changement et d’impact; et développer des modèles pour l’évaluation des coûts et des risques de mise à jour logicielle.

Au cours des deux dernières décennies, le schéma primal-dual a été un outil majeur pour la conception d’algorithmes avec de très bons facteurs d’approximation pour les problèmes NP-difficiles. Cette méthode est basée sur les théorèmes de dualité de la programmation linéaire (LP) : la dualité forte garantit que le respect des conditions complémentaires de relâchement implique l’optimalité d’une solution (fractionnaire). Une « bonne » relaxation (c’est-à-dire une relaxation d’un petit facteur) de ces conditions peut être démontrée comme impliquant une bonne solution intégrale pour le problème original formulé sous forme de PL. La méthode primal-dual est basée sur la connexion entre un LP primal et son dual, mais ces dernières années, une nouvelle méthode appelée arrondi itérat a été appliquée à divers problèmes, pour lesquels aucun schéma primal-dual également bon n’était connu. L’arrondi itéré ne traite que de la formulation LP primale du problème difficile (par exemple, de la minimisation), et arrondit très soigneusement une solution fractionnaire morceau par morceau en une solution intégrale. Ainsi, l’arrondi itérat est une méthode primale combinatoire (comme le simplex est une méthode combinatoire pour résoudre les LP) et le schéma primal-dual implique à la fois le primal et le dual (comme des méthodes similaires pour résoudre les LP).

 

Avec la croissance rapide du marché des systèmes micro-électromécaniques (MEMS), le besoin de sources d’énergie miniaturisées augmente également. Les dispositifs MEMS commencent à apporter des contributions significatives dans de nouveaux sujets, notamment le Lab-on-Chips (LOC) et d’autres dispositifs micro-fluidiques, les communications sans fil, les capteurs et l’optique. Dans toutes ces technologies, l’énergie électrique est un enjeu vital pour le développement ultérieur du domaine MEMS. Un grand nombre de dispositifs MEMS sont encore alimentés par des alimentations externes (macroscopiques), ce qui, dans bien des cas, entraîne des problèmes d’interconnexion, des diaphonies croisées, du bruit (électronique), des difficultés à contrôler l’alimentation fournie et, surtout, cela compromet l’avantage de la réduction de la taille de l’appareil. En revanche, cette complexité est réduite si une puissance miniaturisée spécifique au site est utilisée, ce qui permet d’améliorer le bruit et l’efficacité énergétique. Des enquêtes antérieures ont montré que les exigences contradictoires qui empêchent une bonne performance, une grande capacité et une longue durabilité des batteries rechargeables peuvent (partiellement) être éliminées lorsque la cellule est miniaturisée et exploitée avec un électrolyte en flux comme un réacteur électrochimique continu. Le concept proposé de micro-batterie consiste en un ou plusieurs micro-canaux qui sont (ou sont) fabriqués en un dispositif micro-fluidique/MEMS nécessitant une source d’alimentation embarquée pour remplir sa fonction.

Les batteries micro-fluidiques ont un grand potentiel pour être utilisées comme source d’alimentation standard dans les dispositifs MEMS et LOC. De plus, il est intéressant de numéroter ces appareils pour obtenir des systèmes électriques destinés à la conversion et au stockage de plus grandes quantités d’énergie, par exemple combinés avec des cellules photovoltaïques ou des éoliennes comme système d’alimentation autonome (à distance). Le potentiel de ce projet inclut des considérations de durabilité et environnementales. Les piles rechargeables miniaturisées réduisent le besoin de matières premières. La durée de vie accrue, ainsi que la réduction des déchets générés par la production, ont un effet positif sur l’ensemble du cycle du berceau à la tombe des petites sources d’énergie.

L’étudiant participera à l’identification des phénomènes physiques et chimiques survenant dans la batterie micro-fluidique sur la base d’une recherche littéraire. Après l’identification des phénomènes pertinents, il faut identifier les équations gouvernantes pour l’écoulement des électrolytes, le transfert de masse des espèces, les réactions chimiques et la thermodynamique/transfert de chaleur.

L’objectif principal est de mettre en place un modèle 1D simple mais efficace des phénomènes à l’intérieur de la batterie micro-fluidique. Le modèle doit refléter les caractéristiques physicochimiques essentielles avec un faible niveau de détail et doit être résolu soit par MATLAB, soit par un code CFD commercial.