Nov kvantni senzor lahko meri energijo, shranjeno v baterijah električnih vozil, veliko natančneje kot obstoječe naprave – po mnenju njegovih izumiteljev Mutsuko Hatano na Tokijskem inštitutu za tehnologijo in njeni kolegi na Japonskem. Njihov senzor uporablja centre dušikovih praznin (NV) v diamantu in bi lahko privedel do znatnih izboljšav dosega in energetske učinkovitosti električnih vozil.
Električna vozila (EV) na splošno veljajo za ključni element globalnih prizadevanj za odpravo emisij toplogrednih plinov. Ena od omejitev njihove učinkovitosti je zmožnost električnega vozila, da oceni, koliko energije ostane v njegovih baterijah.
Danes se preostala energija oceni z merjenjem električnega toka, ki teče iz baterij med vožnjo EV. Čeprav lahko ti tokovi dosežejo do več sto amperov, je njihova povprečna vrednost običajno le okoli 10 A. Posledično morajo tokovni senzorji delovati v velikem dinamičnem območju, zaradi česar so zelo dovzetni za hrup iz okolja.
Varnostna meja
Ta hrup pomeni, da je mogoče preostalo energijo baterije oceniti le z natančnostjo približno 10 %. Da bi bili varni, je treba akumulatorje električnih vozil ponovno napolniti, ko padejo na 10 % njihove energijske zmogljivosti. To močno omeji doseg vožnje EV in pomeni, da so za dosego ciljnega dosega potrebne težje baterije.
Da bi izboljšali to natančnost, je Hatanova ekipa izmerila tok z uporabo para diamantnih kvantnih senzorjev, ki temeljijo na NV centrih. Središče NV je nečistoča, v kateri sta dva atoma ogljika v diamantni rešetki nadomeščena z enim atomom dušika in sosednjim praznim prostorom.
Središče NV se obnaša kot majhen vrtilni magnetni moment, ki je zelo občutljiv na zunanja magnetna polja. Ta polja je mogoče zelo natančno izmeriti s sondiranjem centrov NV s svetlobo in mikrovalovi.
Diferencialno merjenje
V svoji študiji so raziskovalci postavili par diamantnih senzorjev na obe strani vodila EV, ki je debel kovinski trak, ki povezuje baterijo EV z njegovimi motorji in drugimi električnimi komponentami. Ko tok teče skozi zbiralko, ustvari magnetno polje, ki ga merita oba diamantna senzorja. Ker so senzorji nameščeni na obeh straneh vodila, en senzor meri pozitivno vrednost magnetnega polja, drugi pa negativno vrednost. Bistveno je, da oba merita enake ravni hrupa – tako da odštevanje ene meritve od druge odpravi hrup.
Diamantni senzor visoke ločljivosti preslikava električne tokove v srcu
Z uporabo te diferencialne tehnike je ekipa izmerila tokove v zbiralki do 130 A in nizke do 10 mA – tudi v hrupnem okolju. Skupina je nato povečala tok na ±1000 A in senzor upravljala v temperaturnem območju od -45 °C do 85 °C in opazila dobre rezultate merjenja.
Ekipa pravi, da bi lahko senzorji zmanjšali težo baterij za električna vozila za 10 %, kar bi zmanjšalo energijo, potrebno za delovanje in proizvodnjo električnih vozil. Ocenjujejo, da bi lahko komercialna uvedba senzorjev na koncu zmanjšala ogljikov dioksid, ki ga izpušča prometna industrija, za približno 0.2 % do leta 2030 – potencialno bi približala cilj ničelnih neto emisij ogljika en korak bližje.
Raziskava je opisana v Znanstvena poročila.
