Flow chemistry nello spazio: ricerca, sviluppo e innovazione in condizioni di microgravità

The thesis provides an overview of the general principles of flow chemistry and its usefulness in the area of space chemistry for studying reactions under microgravity conditions. Although the industrial interest of the topic, the first section is more didactic and shows the basic principles of flow chemistry from both a theoretical and instrumental point of view, in order to provide a solid knowledge for the understanding of studies below. A comparison between this new chemical approach and the traditional batch chemistry in terms of advantages and disadvantages is described. Examples of synthesis (carried out on Earth) are shown in order to show a practical implication of the theory. The distinction between astrochemistry and space chemistry is the first step to probe the space question. Chemical research in space is described by presenting the synthesis of new materials for aerospatial applications, the production of highly efficient rocket propellants, the use of conventional analytical strategies in space environment, comparison between fluids dynamics under microgravity conditions and under normal conditions, crystallization of proteins under microgravity conditions and polymers synthesis in space. This section provides an overview of the state-of-the-art in terms of space chemistry, the areas of interest and which kind of particular properties of matter are obtainable under these conditions. By the integration of space research with flow chemistry, it is possible to extend the field of organic synthesis and obtain a greater control over the processes carried out under microgravity conditions. The main point of the study is to understand why this chemical approach is suitable for space chemistry. Some persuasive factors are: the ability to operate under microgravity, safety, the absence of contamination, reproducibility, operator-friendly using, instrumental compatibility and by-product minimization. The theoretical basis for spatial synthesis is presented through the description of the perpendicular paramagnetic bond model, only possible in interstellar environment. Moving to the experimental part, some experiments performed in flow are analyzed: continuous flow electroreduction of CO2, immobilization of bacteria to recycle organic waste in continuous flow, the application of the tunnel effect in combination with flow chemistry from both theoretical and practical implications, useful for organic synthesis. Finally, the paper aims to present new challenges related to flow chemistry in space. This section deals with LOTF (Labs Of The Future), namely how algorithms can be studied to cooperate with chemical competence to carry out the syntheses in space of molecules that might degrade rapidly under microgravity conditions (and for which the on-site production is essential), such as a multitude of drugs. The topic of automation is directly related to flow chemistry, as the main advantages of the continuous flow, such as the improved mixing and heat transfer, and the possibility of an extremely precise control of pressure and temperature have led to a multitude of applications, where the operator's contribution is minimized.

L'elaborato si propone di fornire una panoramica sui principi generali della flow chemistry e sulle modalità mediante cui essa può essere sfruttata nel settore della space chemistry per lo studio di reazioni in condizioni di microgravità. Per quanto il tema sia di interesse industriale, la prima sezione ha una curvatura più didattica e intende illustrare i principi basilari della flow chemistry sotto l'aspetto teorico strumentale, in modo da fornire dei fondamenti per la comprensione degli studi illustrati successivamente. Questo apre la via a un confronto fra questo nuovo approccio e la tradizionale batch chemistry. Sono riportati esempi di sintesi (svolte sulla Terra) per avere un'evidenza pratica della teoria. La distinzione tra astrochimica e space chemistry è il primo passo per addentrarsi nella questione spaziale. La ricerca chimica nello spazio viene qui illustrata, a prescindere dalla flow chemistry, presentando sintesi di nuovi materiali con applicazioni nell'industria aerospaziale, la produzione di propellenti per razzi altamente efficienti, l'impiego delle convenzionali strategie analitiche nell'ambiente spaziale, il confronto fra la dinamica dei fluidi in condizioni di microgravità rispetto alle condizioni terrestri, la cristallizzazione di proteine in condizioni di microgravità e la sintesi dei polimeri nello spazio. Questa sezione è utile a fornire una panoramica sulle ricerche finora svolte nell'ambito della space chemistry, sulle aree di interesse e sulle proprietà particolari a cui la materia è soggetta in queste condizioni. Integrando la flow chemistry nella ricerca spaziale è possibile estendere il campo delle sintesi organiche e avere un maggiore controllo sui processi svolti in condizioni di microgravità. Il fulcro della questione è capire perché questo approccio chimico risulta adeguato alla space chemistry. Alcuni fattori persuasivi sono: possibilità di operare in microgravità, sicurezza, assenza di contaminazioni, riproducibilità, semplicità di utilizzo da parte dell'operatore, compatibilità strumentale e minimizzazione della generazione di sottoprodotti. La premessa teorica alle sintesi spaziali è la descrizione del modello di legame paramagnetico perpendicolare possibile solamente in ambiente interstellare. Passando poi al lato sperimentale si analizzano esperimenti condotti in flusso: l'elettroriduzione della CO2 in flusso continuo, l'immobilizzazione di batteri per riciclare rifiuti organici in flusso continuo, l'applicazione dell'effetto tunnel quantomeccanico in combinazione con la flow chemistry da un punto di vista sia teorico sia dei risvolti pratici utili per la sintesi organica. Infine, l'elaborato presenta le nuove sfide legate all'impiego di flow chemistry nello spazio. Viene qui affrontato il tema dei LOTF (Labs Of The Future), ovvero come possono essere studiati alcuni algoritmi in grado di cooperare insieme alla competenza chimica per svolgere delle sintesi nello spazio di prodotti che degradano velocemente in condizioni di microgravità (e per cui risulta fondamentale la produzione in loco), come ad esempio una moltitudine di farmaci. Il tema della automazione è direttamente correlato alla flow chemistry, in quanto i principali vantaggi inerenti il flusso continuo, come la miscelazione migliorata, il trasferimento di calore e la possibilità di esercitare un controllo estremamente preciso su pressione e temperatura hanno portato a diverse applicazioni in cui il contributo dell'operatore è ridotto al minimo.