Uus kvantandur suudab mõõta elektrisõidukite akudesse salvestatud energiat palju täpsemini kui olemasolevad seadmed – selle leiutajate sõnul Mutsuko Hatano Tokyo Tehnoloogiainstituudis ja tema kolleegid Jaapanis. Nende andur kasutab teemandis olevaid lämmastiku-vakantsi (NV) keskusi ja see võib oluliselt parandada elektrisõidukite sõiduulatust ja energiatõhusust.
Elektrisõidukeid (EV-sid) peetakse laialdaselt kasvuhoonegaaside heitkoguste vähendamise ülemaailmsete jõupingutuste oluliseks elemendiks. Üks nende tõhususe piirang on elektrisõiduki võime hinnata, kui palju energiat akudesse jääb.
Tänapäeval hinnatakse järelejäänud energiat, mõõtes elektrivoolu, mis voolab akudest EV sõidu ajal. Kuigi need voolud võivad ulatuda sadade ampriteni, on nende keskmine väärtus tavaliselt vaid umbes 10 A. Seetõttu peavad vooluandurid töötama suures dünaamilises vahemikus, mis muudab need ümbritseva keskkonna müra suhtes väga vastuvõtlikuks.
Ohutusvaru
See müra tähendab, et aku järelejäänud energiat saab hinnata ainult umbes 10% täpsusega. Seetõttu tuleb elektrisõidukite akud ohutuse tagamiseks uuesti laadida, kui nende energiamaht on langenud 10%-ni. See piirab oluliselt elektrisõiduki sõiduulatust ja tähendab, et sihtvahemiku saavutamiseks on vaja raskemaid akusid.
Selle täpsuse parandamiseks mõõtis Hatano meeskond voolu, kasutades NV-keskustel põhinevat teemant-kvantanduri paari. NV-tsenter on lisand, milles teemantvõre kaks süsinikuaatomit on asendatud ühe lämmastikuaatomiga ja sellega külgneva tühja ruumiga.
NV-keskus käitub väikese pöörleva magnetmomendina, mis on väliste magnetväljade suhtes väga tundlik. Neid välju saab väga täpselt mõõta, sondeerides NV-keskusi valguse ja mikrolainete abil.
Diferentsiaalmõõtmine
Oma uuringus paigutasid teadlased teemantandurite paari EV siini mõlemale küljele, mis on paks metalliriba, mis ühendab EV aku selle mootorite ja muude elektrikomponentidega. Kui vool läbib siini, tekitab see magnetvälja, mida mõõdavad mõlemad teemantsensorid. Kuna andurid asuvad siini mõlemal küljel, mõõdab üks andur magnetvälja positiivset väärtust ja teine negatiivset väärtust. Oluline on see, et mõlemad mõõdavad sama mürataset – nii et ühe mõõtmise lahutamine teisest kõrvaldab müra.
Kõrge eraldusvõimega teemantsensor kaardistab südame elektrivoolud
Seda diferentsiaaltehnikat kasutades mõõtis meeskond siinis voolu kuni 130 A ja 10 mA isegi mürarikkas keskkonnas. Seejärel suurendas meeskond voolu ±1000 A-ni ja kasutas andurit temperatuurivahemikus -45 °C–85 °C ning jälgis head mõõtmistulemust.
Meeskond ütleb, et andurid võivad vähendada EV-akude kaalu 10%, mis vähendaks nii elektrisõidukite käitamiseks kui ka tootmiseks vajalikku energiat. Nad prognoosivad, et andurite kaubanduslik kasutuselevõtt võib lõpuks vähendada transporditööstuse süsinikdioksiidi heitkoguseid 0.2. aastaks umbes 2030% võrra, mis võib potentsiaalselt viia null-süsinikuheite eesmärgi poole sammu võrra lähemale.
Uuringut kirjeldatakse artiklis Teaduslikud aruanded.
