Ένας νέος κβαντικός αισθητήρας μπορεί να μετρήσει την ενέργεια που αποθηκεύεται στις μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τις υπάρχουσες συσκευές - σύμφωνα με τους εφευρέτες του Μουτσούκο Χάτανο στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο και τους συναδέλφους της στην Ιαπωνία. Ο αισθητήρας τους χρησιμοποιεί κέντρα κενού αζώτου (NV) σε διαμάντι και θα μπορούσε να οδηγήσει σε ουσιαστικές βελτιώσεις στην εμβέλεια και την ενεργειακή απόδοση των ηλεκτρικών οχημάτων.
Τα ηλεκτρικά οχήματα (EV) θεωρούνται ευρέως ως κρίσιμο στοιχείο της παγκόσμιας προσπάθειας για την εξάλειψη των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ένα όριο στην απόδοσή τους είναι η ικανότητα ενός EV να εκτιμά πόση ενέργεια παραμένει στις μπαταρίες του.
Σήμερα, η υπολειπόμενη ενέργεια υπολογίζεται με τη μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει από τις μπαταρίες καθώς κινείται το EV. Αν και αυτά τα ρεύματα μπορούν να φτάσουν έως και εκατοντάδες αμπέρ, η μέση τιμή τους είναι συνήθως μόλις περίπου 10 A. Ως αποτέλεσμα, οι αισθητήρες ρεύματος πρέπει να λειτουργούν σε μεγάλο δυναμικό εύρος, γεγονός που τους καθιστά εξαιρετικά ευαίσθητους στο θόρυβο από το περιβάλλον.
Περιθώριο ασφαλείας
Αυτός ο θόρυβος σημαίνει ότι η υπολειπόμενη ενέργεια μιας μπαταρίας μπορεί να εκτιμηθεί μόνο με ακρίβεια περίπου 10%. Επομένως, για να είναι ασφαλείς, οι μπαταρίες EV πρέπει να επαναφορτίζονται μόλις πέσει στο 10% της ενεργειακής τους χωρητικότητας. Αυτό θέτει ένα σημαντικό όριο στην εμβέλεια οδήγησης ενός EV και σημαίνει ότι απαιτούνται βαρύτερες μπαταρίες για να επιτευχθεί ένα εύρος στόχου.
Για να βελτιώσει αυτή την ακρίβεια, η ομάδα του Hatano μέτρησε το ρεύμα χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος κβαντικών αισθητήρων διαμαντιών που βασίζονται σε κέντρα NV. Ένα κέντρο NV είναι μια ακαθαρσία στην οποία δύο άτομα άνθρακα σε ένα πλέγμα διαμαντιών αντικαθίστανται από ένα μόνο άτομο αζώτου και έναν παρακείμενο κενό χώρο.
Ένα κέντρο NV συμπεριφέρεται ως μια μικροσκοπική μαγνητική ροπή περιστροφής που είναι πολύ ευαίσθητη στα εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Αυτά τα πεδία μπορούν να μετρηθούν με μεγάλη ακρίβεια ανιχνεύοντας κέντρα NV χρησιμοποιώντας φως και μικροκύματα.
Διαφορική μέτρηση
Στη μελέτη τους, οι ερευνητές τοποθέτησαν ένα ζεύγος αισθητήρων διαμαντιών και στις δύο πλευρές μιας ράβδου EV, η οποία είναι μια παχιά μεταλλική λωρίδα που συνδέει την μπαταρία ενός EV με τους κινητήρες και άλλα ηλεκτρικά εξαρτήματά του. Καθώς ένα ρεύμα διέρχεται από τη ράβδο, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που μετράται και από τους δύο αισθητήρες διαμαντιών. Επειδή οι αισθητήρες βρίσκονται και στις δύο πλευρές του ζυγού, ο ένας αισθητήρας μετρά μια θετική τιμή για το μαγνητικό πεδίο και ο άλλος μια αρνητική τιμή. Το σημαντικό είναι ότι και οι δύο μετρούν τα ίδια επίπεδα θορύβου – επομένως αφαιρώντας τη μία μέτρηση από την άλλη εξαλείφεται ο θόρυβος.
Ο αισθητήρας διαμαντιού υψηλής ανάλυσης χαρτογραφεί τα ηλεκτρικά ρεύματα στην καρδιά
Χρησιμοποιώντας αυτή τη διαφορική τεχνική, η ομάδα μέτρησε ρεύματα στη ράβδο ζυγού έως και 130 A και έως 10 mA – ακόμη και σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Στη συνέχεια, η ομάδα ανέβασε το ρεύμα στα ±1000 A και λειτούργησε τον αισθητήρα στο εύρος θερμοκρασίας -45°C–85°C και παρατήρησε καλή απόδοση μέτρησης.
Η ομάδα λέει ότι οι αισθητήρες θα μπορούσαν να μειώσουν το βάρος των μπαταριών EV κατά 10%, γεγονός που θα μείωνε την ενέργεια που απαιτείται τόσο για τη λειτουργία όσο και για την παραγωγή EV. Εκτιμούν ότι η εμπορική διάθεση των αισθητήρων θα μπορούσε τελικά να μειώσει το διοξείδιο του άνθρακα που εκπέμπεται από τη βιομηχανία μεταφορών κατά περίπου 0.2% έως το 2030 - φέρνοντας ενδεχομένως τον στόχο των καθαρών μηδενικών εκπομπών άνθρακα ένα βήμα πιο κοντά.
Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστημονικές Εκθέσεις.
