Projets innovants réalisés

Les combustibles à base d’hydrocarbures sont la principale source d’énergie de l’humanité depuis des siècles. Cependant, au cours du siècle dernier, il y a eu une augmentation exponentielle de l’utilisation de ces combustibles et la demande d’énergie ne cesse de croître. Les hydrocarbures sont la principale source d’émissions de gaz à effet de serre qui affectent gravement le climat mondial et mettent en péril le cadre de vie des générations futures. Toutes ces questions suscitent de plus en plus de préoccupations quant à la recherche de carburants de remplacement appropriés qui peuvent 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 de remplacement testés ou proposés, l’hydrogène est un candidat prometteur.

Outre d’autres moyens, 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 de l’hydrogène chimiosorbé à la surface du métal. 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 de réaction d’évolution de l’hydrogène. Le platine a des énergies de liaison moyennes pour l’hydrogène et est le meilleur électrocatalyseur pour la production d’hydrogène. Cependant, le platine est un élément extrêmement rare et il est urgent de trouver des alternatives. Un candidat intéressant est nickel.  Le nickel n’est pas seulement intéressant de l’activité électrocatalytique, mais aussi en raison de sa stabilité dans les 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 de nickel nanostructurés par la technologie de pulvérisation thermique.

La technologie de pulvérisation thermique permet de former des revêtements poreux et nano-strucutés de divers métaux. Le candidat apprendra à utiliser cette technologie et, sur la base de son plan expérimental développé, explorera systématiquement l’activité des revêtements. Les échantillons seront préparés à l’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 effectuera des cautérisations microscopiques, c’est-à-dire.  électron à balayage (MEB), microscopie électronique tem de transmission), imagerie par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) et analyse de diffraction des rayons X (XRD). Les caractérisations de l’activité électrochimique impliquent la détermination de la surface électro-active réelle (par décapage au CO), l’analyse de la parcelle de Tafel et la détermination de la densité du courant d’échange.

On s’attend d’abord à ce que l’étudiant apprenne les techniques utilisées dans la recherche mentionnée ci-dessus.  Ensuite, on s’attend à ce que l’étudiant mette en œuvre un algorithme et fasse une étude expérimentale. Si le temps le permet, l’étudiant sera encadré pour concevoir un algorithme pour calculer des sous-ggraphes planaires clairsemés.

Les systèmes en temps réel sont construits comme des ensembles de composants interagissant avec leur environnement. Dans la plupart des cas (y compris la robotique, le contrôle de la circulation, la fabrication et les applications industrielles, etc.), ces applications doivent satisfaire à des contraintes de synchronisation « difficiles ». Si ces contraintes ne sont pas respectées, les décisions systémiques (même correctement calculées) peuvent avoir des conséquences catastrophiques pour les biens ou les vies. Le développement de contrôleurs en temps réel dans des environnements distribués s’est avéré une tâche très complexe, en termes de difficultés de développement et de coûts connexes. Nous avons fourni une nouvelle méthode systématique et des outils automatisés associés pour développer des applications de contrôle en temps réel difficiles 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 homologues réels interagissant avec l’environnement environnant.

À l’heure actuelle, la mise en œuvre de systèmes d’information sur la navigation – parfois appelés « GPS » ou GNSS (Global Navigation Satellite Systems) pour des raisons de commodité – subit des transitions importantes.  D’autres constellations de satellites sont proposées et mise en service (Glonass, Galileo, Compass, SBAS) de manière agressive.  En outre, la technologie de localisation est rapidement intégrée dans l’espace grand public du marché de masse grâce à la mise en œuvre dans les téléphones cellulaires, les automobiles, la surveillance, le suivi et les produits de navigation autonomes - fournissant et permettant une toute nouvelle classe d’applications appelées services basés sur la localisation (LBS).  Le développement, la fabrication et la mise en service efficaces de ces systèmes nécessitent de nouvelles techniques de test qui modélisent les conditions attendues dans le monde réel afin de fournir des évaluations concernant les performances, la disponibilité et la précision.  Dans ce contexte, la génération de signaux GNSS est essentielle et la capacité de ces générateurs à reproduire les conditions du monde réel est particulièrement importante. Cependant, l’augmentation du nombre de constellations, et donc de signaux à générer, soulève un défi considérable en tant que matériel requis. La pratique courante à cet égard a été d’utiliser un ordinateur frontal standard qui contrôle une ou plusieurs cartes de traitement du signal numérique dédiées qui effectuent le traitement du signal en temps réel requis. L’augmentation du nombre de constellations/canaux de 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 car les cartes requises ont tendance à être 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 les performances de ce prototype de simulateur, ce projet de recherche vise à étudier l’utilisation de processeurs multicœurs et / ou de GPU haute performance (Unités de traitement graphique) pour effectuer plus de tâches de calcul et de traitement du signal dans l’ordinateur frontal, réduisant ainsi le besoin de cartes de traitement du signal en 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 mise en œuvre et testée.

L’étudiant collaborera avec d’autres membres de l’équipe pour quantifier les exigences de calcul pour la génération de signaux GNSS multicanaux (se concentrer sur un scénario GPS L1 à 12 canaux), déterminer la distribution OPTIMALE CPU / GPU par rapport à FPGA de la charge de calcul et Mettre en œuvre 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 en interaction, 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 considérablement l’efficacité de la gestion du changement pour les systèmes logiciels de haute fiabilité, tels que les systèmes logiciels avioniques, les systèmes de navigation de contrôle ou les applications distribuées critiques pour la mission de l’entreprise. Nous nous concentrerons particulièrement sur les défis de la mise à jour des systèmes logiciels multi-composants ; les systèmes qui comprennent une grande quantité de composants avec la liste non exhaustive suivante de caractéristiques difficiles : Différentes langues ; Exécution sur différents systèmes d’exploitation ; Construit par des tiers ; l’utilisation d’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 au cours de laquelle les approches et les technologies seront développées à l’aide de systèmes open source, les partenaires industriels choisiront et détailleront des scénarios industriels typiques de mises à jour logicielles. Les partenaires universitaires utiliseront ces scénarios comme un « banc d’essai » par rapport auquel évaluer la pertinence des solutions ainsi qu’une 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 des outils de construction. 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 de haute fiabilité ; étudier et caractériser la componentisation, la redondance, le couplage, la cohésion et la criticité des systèmes thématiques ; étudier, définir et élaborer des analyses appropriées de l’impact du changement ; et élaborer des modèles pour l’évaluation des coûts et des risques des mises à jour logicielles.

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-durs. Cette méthode est basée sur les théorèmes de dualité de la programmation linéaire (LP) : La dualité forte garantit que la satisfaction des conditions de relâchement complémentaires implique l’optimalité d’une solution (fractionnaire). Il peut être démontré qu’une « bonne » relaxation (c.-à-d. la relaxation par un petit facteur) de ces conditions implique une bonne solution intégrale pour le problème original formulé comme un LP. La méthode primal-dual est basée sur le lien entre un LP primitif et son dual, mais ces dernières années, une nouvelle méthode appelée arrondi itéré a été appliquée à une variété de problèmes, pour lesquels aucun schéma primal-dual tout aussi bon n’était connu. L’arrondissement itéré ne traite que de la formulation lp primaire du problème dur (disons, minimisation), et arrondit très soigneusement une solution fractionnaire pièce par pièce à une intégrale. Ainsi, l’arrondissement itéré est une méthode primaire combinatoire (comme 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), il existe également un besoin croissant de sources d’énergie miniaturisées. Les appareils MEMS commencent à apporter des contributions significatives dans de nouveaux sujets, y compris lab-on-chips (LOC) et d’autres dispositifs micro-fluidiques, communications sans fil, capteurs, et optique. Dans toutes ces technologies, l’énergie électrique est une question vitale pour le développement ultérieur du domaine MEMS. Un grand nombre d’appareils MEMS sont toujours alimentés par des alimentations externes (macroscopiques), ce qui, dans de nombreux cas, entraîne des problèmes d’inter-connexion, des conversations croisées, un bruit (électronique), des difficultés à contrôler la puissance fournie et, surtout, 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, et donc des améliorations du bruit et de l’efficacité énergétique peuvent être obtenues. Des enquêtes antérieures ont été montrées que les exigences contradictoires qui empêchent de bonnes performances, une grande capacité et une longue durabilité des batteries rechargeables peuvent être (partiellement) éliminées lorsque la cellule est miniaturisée et fonctionne avec un électrolyte fluide comme réacteur électrochimique continu. Le concept de micro batterie proposé se compose d’un (ou plusieurs) micro canal(s) qui est (sont) fabriqué(s) dans un dispositif micro-fluidique / MEMS qui a besoin d’une source d’alimentation embarquée pour remplir sa tâche.

Les batteries micro-fluidiques ont un grand potentiel pour être utilisées comme source d’alimentation standard dans les appareils MEMS et LOC. En outre, il est intéressant de numérotiser ces appareils pour obtenir des systèmes d’alimentation pour la conversion et le stockage d’une plus grande quantité d’énergie, par exemple combiné avec des cellules photovoltaïques ou des éoliennes en tant que système d’approvisionnement en énergie autonome (à distance). Le potentiel de ce projet comprend des considérations de durabilité et d’environnement. Les batteries rechargeables miniaturisées diminuent le besoin de matière première. La durée de vie améliorée ainsi que le moins de déchets générés par la production, ont un effet positif sur l’ensemble du cycle du berceau à la tombe des sources d’énergie à petite échelle.

L’étudiant sera impliqué dans l’identification des phénomènes physiques et chimiques qui se produisent dans la batterie micro-fluidique sur la base d’une recherche documentaire. Après l’identification des phénomènes pertinents, les équations régissant l’écoulement des électrolytes, le transfert de masse des espèces, les réactions chimiques et la thermodynamique / transfert de chaleur doivent être identifiées.

L’objectif principal est de mettre en place un modèle 1D simple mais efficace des phénomènes au sein de la batterie micro-fluidique. Le modèle devrait refléter les caractéristiques physico-chimiques essentielles avec un faible niveau de détail et devrait être résolu avec MATLAB ou un code CFD commercial.