Resiliència de la xarxa elèctrica, basada en les bateries.

En els últims anys, les  indicènceis meteorològics extremes i atacs ciberfísics, han  introdueït noves vulnerabilitats al sistema elèctric. A aquest efecte, és imprescindible millorar la capacitat de resiliència  per suportar i recuperar esdeveniments disruptius per minimitzar així, la durada, la intensitat i els impactes negatius d'aquestes situacions inesperades. 

Els sistemes d'emmagatzematge d'energia es poden considerar com un dels components clau per millorar la resiliència de la xarxa elèctrica. Utilitzar l'emmagatzematge d'energia a gran escala per millorar la capacitat de les xarxes locals i mitigar l'impacte de la pèrdua de generació durant situacions d'emergència s'ha discutit de manera significativa tant en publicacions acadèmiques com en informes industrials. 

Font: AES Energy Storage

Alguns exemples de projectes  inclouen el cas de  Vermont-Rutland amb una capacitat de bateria de 4 MWh  proporciona una potència segura per fer front en cas d'una situació d'emergència, També, el projecte Massachusetts-Sterling amb emmagatzematge de bateries de 2 MWh / 4MWh,  proporcionen una potència de back-up donada una situació de falla elèctrica en instal·lacions crítiques. Recentment, el desplegament d'emmagatzematge d'energia deployment of behind-the-meter (BTM) i els vehicles elèctrics (EV), estan creixent ràpidament. S'espera que el segment BTM global als Estats Units creixi del 19% del mercat d'emmagatzematge en el 2016 fins al 52% el 2022. 

El mercat de plug-in EV als EUA també ha crescut en uns 30.000 vehicles en el 2011 fins a 1.138.400 en el 2018. Fusionant  la proliferació d'emmagatzematge d'energia estacionària distribuïda, així com l'emmagatzematge d'energia mòbil (per exemple, els vehicles elèctrics) en els sistemes elèctrics, crea una nova oportunitat per a la xarxa en les unitats d'emmagatzematge d'energia distribuïda per contribuir a la capacitat de la xarxa  a gran escala.

font: The Sotorify New Times

En condicions normals, cada unitat d'emmagatzematge d'energia mòbil o estacionària funciona com de costum en el sistema elèctric. És a dir, els compradors d'energia elèctrica adquireixen electricitat de la xarxa pagant l'eneriga que consumiran en el proper viatge, o intercanviant energia amb la xarxa i proporcionar aioxí, serveis auxiliars quan no s'utilitzen durant el viatge del VE.

Els sistemes d'emmagatzematge estacionaris també estan controlats localment per participar en els mercats elèctrics, la gestió de la demanda o l'operació de les micro-xarxes. Durant inicdències masives de la xarxa, com podria ser una situació climàtica extrema, o atacs cibernètics o els canvis sobtats en les generacions renovables o en les càrregues, es possible gestionar adequadament una xarxa basada en unitats d'emmagatzematge d'energia per millorar la capacitat dela xarxa fent possible restaurar la càrrega gràcies a la  energització d'aquesta. També, optimitzant la utilització dels recursos energètics, es possible mantenir l'equilibri entre oferta i demanda i evitar la inestabilitat a la xarxa. Una xarxa basada en sistemes d'emmagatzematge d'energia distribuïda pot ajudar a la restauració dels sistemes facilitant el funcionament del sistema en mode illa o compensant la pèrdua de la font d'energia principal mitjançant l'alliberament de l'energia emmagatzemada d'una manera coordinada.

Font: Navigant Research

A més, la integració de l'emmagatzematge d'energia distribuïda en una xarxa, millora la flexibilitat de la xarxa per a la reconfiguració immediata en resposta a incidències imprevistes. Llavors, es pot gestionar la xarxa basada en unitats d'emmagatzematge d'energia per controlar el flux d'energia de la nova configuració d'aquesta i redirigir l'energia emmagatzemada a una infraestructura crítica. 

Les unitats d'emmagatzematge d'energia també poden funcionar com un amortidor energètic per compensar la intermitència renovable. Per tant, la incorporació de sistemes d'emmagatzematge d'energia amb recursos energètics renovables com la solar i el vent, converteixen la generació renovable en una font fiable per proporcionar energia a la xarxa.

Donat una pertorbació, les bateries distribuïdes es caracteritzen per proporcionar flexibilitat addicional per relaxar  restriccions donat un problema origintat per un desequilibre entre l'oferta i la demanda i optimitzar la utilització dels recursos energètics. A més, les unitats d'emmagatzematge d'energia amb una ràpida resposta, poden mitigar ràpidament els trasitòris locals i evitar la propagació de l'efecte de la pertorbació en el sistema.

Font: Smart energy internacional

Aquest sistemes d'emmagatzematge i degut a la quantitat d'energia que emmagatzemen, ofereixen inèrcia virtual a les xarxes. És a dir, l'energia emmagatzemada a les unitats d'emmagatzematge emula l'energia cinètica emmagatzemada al rotor dels generadors síncrons que es pot alliberar donades les possibles falles elèctriques o per un desequilibri dràstic de la  potència. La inèrcia virtual de les unitats d'emmagatzematge d'energia distribuïda, milloren l'estabilitat del sistema en el moment de la pèrdua sobtada de la generació i, per tant, augmenta la tolerància i la robustesa del sistema en el seu conjunt a canvis bruscos. Encara que els sistemes d'emmagatzematge d'energia distribuïda poden contribuir efectivament a la capacitat de la xarxa, encara hi ha diversos reptes per millorar la capacitat d'aqeusta xarxa mitjançant la utilització d'una xarxa de sistemes d'emmagatzematge d'energia mòbils estacionaris i  distribuïts. Els reptes es poden classificar en 

1) reptes tecnològics 

2) reptes financers i econòmics 

3) reptes de política i regulació. 

Les preocupacions tècniques es relacionen principalment amb el control cooperatiu de les unitats d'emmagatzematge d'energia a la xarxa per proporcionar una resposta ràpida a esdeveniments de contingència, amb capacitat de reconfiguració i flexibilitat de la xarxa, amb i una arquitectura de comunicació i protocols d'interacció entre unitats energètiques i sistema de control, amb estàndards d'interoperabilitat , i amb problemes de degradació de la bateria en  els VE. Els principals reptes financers-econòmics estan relacionats amb la necessitat d'un model de negoci adequat, un mecanisme per a les transaccions financeres entre grups d'interès (propietaris, operadors, agregadors, etc.) i un model econòmic per a un funcionament rendible del sistema.

Font: IEEE SmartGrid

Desastres naturals i el sector elèctric

Els desastres naturals poden arrasar els sistemes de generació, transport i distribució elèctrics, per tant, mantenir les 'llums enceses' és fonamental per a la recuperació de la normalitat després del desastre. 

Recentment, aquests fenòmens meteorològics extrems han estat més freqüents i disruptors a causa dels canvis climàtics. Els huracans a la costa est, els incendis forestals a la costa del Pacífic, així com els tornados i les tempestes d'hivern al mig oest en els últims tres anys, són els exemples més recents que indiquen una important vulnerabilitat de les xarxes elèctriques als riscos climàtics. 

Font: FastCompany

Una xarxa elèctrica flexible, en general ha de preveure situacions pertorbadores,per poder  recuperar-se ràpidament i aprendre per adaptar el seu funcionament i estructura per mitigar l'impacte en incidencies futures. 

Amb un disseny de xarxa elèctrica resumint en l'anterior paràgraf, la gent experimentarà menys interrupcions en  condicions extremes. Un repte clau per millorar la capacitat de la xarxa, és la poca informació sobre esdeveniments extrems i els seus impactes en les xarxes elèctriques. 

Afortunadament, els comptadors intel ligents poden proporcionar dades més valuoses per ajudar al distribuïdors. La gran quantitat de dades que s'estan recollint de forma dispoersa i distribuida des dels punts de subministrament, juntament amb l'anàlisi avançat de dades, aprofitatn l'automatització de distribució i els recursos energètics distribuïts (DER) tots junts,  ajuden a les xarxes elèctriques a respondre millor a aquest tipus de incidències.

Font: Google

Per tant, el que s'explica tot seguit va orientat en exposar quin reptes i oportunitats es poden aprofitar de  les tècniques basades en l'analisis de les dades per millorar la capacitat de recuperació de la xarxa de distribució davant  situacions extrems i com els recursos energètics distribuïts (DER) poden ajudar les xarxes elèctriques a respondre millor en aquestes situacions extremes.

En els últims tres anys, s'ha rebut el suport del Departament d'Energia dels Estats Units, la National Science Foundation dels EUA i l'Agència de Desenvolupament Econòmic d'Iowa per investigar sobre el modelatge i millora de la capacitat de la xarxa elèctrica de manera que, aquest treball té una característica única basada  en dades reals. Per això, s'ha recopilat una gran quantitat de dades d'interrupció i mesurament distribuides facilitades pels distribuïdors com Alliant Energy, City of Bloomfield, Maquoketa Valley Electric Cooperative, Algona Municipal Utilities i Cedar Falls Utilities. 

Encara que la majoria de les investigacions existents se centren en la construcció de detallats models matemàtics per a les interrupcions, es creu que és important extreure informació  a partir de dades reals històriques i desenvolupar models estadístics d'alt nivell per quantificar l'aparició, propagació i recuperació de la interrupció en el servei elèctric. Per això, s'han utilitzant processos estocàstics com el procés de Poisson i la cadena Markov per modelar interrupcions, que ajudaran els distribuïdors a predir la seva ocurrència i costos. A més, aquests models estadístics proporcionaran orientació per optimitzar les inversions tradicionals i la preparació proactiva per a futurs incidents. Un repte important en la interrupció del modelatge és la escassetat de dades de la incidencia. 

Per tant, cal estudiar les petites, mitjanes i grans interrupcions per identificar les seves característiques comunes. Una manera és investigar els impactes de les variables exògenes en els models d'interrupció. Per exemple, és interessant quantificar les relacions entre severitats provocades per situacions meteorològics, la seva  probabilitat  i l'impcate de l'afectació i tall elèctric, per estudiar com els diferents nivells de penetració dels recursos d'energia distribuïda (DER) afecten els interrupcions. que han d'ajudar els distribuïdors a predir la seva ocurrència i els seus costos. A més, aquests models estadístics proporcionaran una orientació per optimitzar les inversions tradicionals conjutament amb una preparació proactiva per a futurs incidents.

Font: Google

A més d'utilitzar dades històriques per modelar interrupcions, un altre repte és millorar la consciència situacional en temps real durant els esdeveniments. La manca d'observabilitat sempre ha estat un obstacle principal en la restauració. Actualment, la majoria dels serveis públics encara es basen en trucades telefòniques i inspeccions de camp per avaluar els danys i identificar interrupcions. Estudis recents han demostrat que els comptadors intel·ligents i les xarxes socials tenen el potencial de millorar significativament aquest procés. Per exemple, els mesuradors intel·ligents poden enviar l'últim soroll abans de les interrupcions i les persones poden discutir o informar interrupcions a Twitter. A més, els models de fragilitat del sistema i la informació meteorològica es poden utilitzar per estimar els danys. El repte, però, és integrar aquestes diferents fonts d'informació.

A més del big data analytics, el desplegament de recursos energètics distribuïts, micrògrids, interruptors automàtics i altres tecnologies de les xarxes intel·ligents, proporcionen una altra oportunitat per millorar la resposta de la xarxa devant situacionss catastròfiques naturals. Per exemple, s'han explorat una sèrie d'esforços útils d'enginyeria i investigació  mitjançant la reconfiguració de les topologies, la formació automàtica de microgrids, la generació renovable i l'emmagatzematge d'energia per fer front a aqeust tipus de situacions. Tanmateix, els reptes fonamentals continuen inhibint la millora de la resiliència efectiva. En primer lloc, aquests nous recursos no s'han utilitzat ni coordinat sistemàticament en resposta a desastres. En segon lloc, no es sap quina informació útil s'ha d'extreure de les dades i com utilitzar-la per guiar la millora de la capacitat de recuperació necessita més investigació. Per últim, però no menys important, els esforços actuals de millora de la capacitat de recuperació no estan coordinats de manera que han estat dividids en la sobredimensio a llarg termini, la preparació a curt termini i la recuperació posterior a l'esdeveniment sense considerar les seves interaccions.

Font:imagenesmi

Si s'argumenta una resiliència  global que integri sistemàticament i optimitzi les diverses fases de millora de la resiliència, cal que la formulació i l'explicació de carteres integrades de millora de la capacitat de recuperació faci que aquests esforços siguin més eficaços. Si es considera que la majoria dels distribuïdors encara es basen en experiències i heurístiques per prendre decisions en resposta a inicidents, és necessari estudiar com aprofitar les dades més riques per dissenyar models d'optimització conscients de la situació per ajudar els distribuïdors a preparar-se millor i recuperar-se ràpidament de les interrupcions de gran escala.  Els models han de co-optimitzar tots els recursos, incloent les micro-grids connectades en la xarxa, els recursos energètics distribuïts, l'emmagatzematge d'energia, els interruptors automàtics i els recursos de manteniment. A més, les inversions a llarg termini, la preparació prèvia d'inicidències i la posterior recuperació a la incidència haurien de ser optimitzades conjuntament per millorar sistemàticament la capacitat de recuperació de la xarxa a diferents escales de temps. L'optimització esmentada donarà lloc a programes integrals mixtos estocàstics a gran escala, per la qual cosa es requereixen solucions basades en algorismes  eficients.

L'anàlisi basada en dades i l'optimització avançada milloraran significativament la capacitat de recuperació de la xarxa elèctrica. Tanmateix, això requereix d'inversions en nous dispositius de mesura i actualitzacions del sistema. Perquè sigui possible pplicar-ho a les xarxes elèctriques, cal una molt efectiva comunicació. Aquest és un repte perquè es resisteix a invertir en incidents futurs, fins i tot quan és molt rendible. Comunicar els beneficis, els costos i els riscos per als responsables dels redactors  de polítiques, els enginyers i els clients, és essencial per convèncer a la societat que invertir en resiliència quan no hi ha 'malt temps'. A més, els complexos models matemàtics no poden ser fàcilment acceptats pels professionals, els responsables polítics o els usuaris. Per tant, és especialment important fer inversions responsables perquè els seus beneficis aportin valors tant per a les empreses com per a les seves inquietuds essent clares i quantificades. A més, els beneficis de recuperació de les actualitzacions s'han de coordinar amb els seus beneficis en l'operació normal, per fer  completar el seu valor.

Font:IEEE SmartGrid

Gran pas en el disseny del nanolaser.

Els làsers són àmpliament utilitzats en els electrodomèstics, la medicina, la indústria, les telecomunicacions i moltes més aplicacions.

Fa diversos anys, els científics van introduir nanolasers. El seu disseny és similar al dels làsers semiconductors convencionals basats en heterostructures d'ús comú durant diverses dècades. La diferència és que les cavitats de les nanolasers són molt petites, segons l'ordre de la longitud d'ona de la llum que emeten. Atès que generen majoritàriament llum visible i infraroja, la mida és d'una milionèssima part de metre.

Els nanolasers tenen propietats úniques notablement diferents a les de làsers macroscòpics. No obstant això, actualment és gairebé impossible determinar a quina velocitat la radiació de sortida del nanolaser es fa coherent. A més, per a aplicacions pràctiques, és important distingir entre els dos règims del nanolàser: la veritable acció làser amb una sortida coherent a altes corrents, i el règim del LED  amb la sortida incoherent a baixes corrents. Els investigadors de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou van desenvolupar un mètode per determinar en quines circumstàncies els nanolasers es consideren veritables làsers. La investigació es va publicar a Optics Express.

Prova de Nanolaser. Font: @ tsarcyanide / MIPT

En un futur pròxim, els nanolasers s'incorporaran a circuits òptics integrats, on es requeriran per a una nova generació d'interconnexions d'alta velocitat basades en guies d'ona fotòniques, que augmentarien el rendiment de les CPU i les GPU per diversos ordres de magnitud. De manera similar, l'arribada de la fibra òptica a Internet ha millorat la velocitat de connexió, al mateix temps que augmenta l'eficiència energètica.

I aquesta no és, amb diferència, l'única aplicació possible de nanolasers. Els investigadors ja estan desenvolupant sensors químics i biològics, de només centenars de milers de fracció de metre, i sensors d'estrès mecànics tan diminuts com diverses milionèsimes parts d'un metre. També s'espera que els nanolasers s'utilitzin per controlar l'activitat neuronal en organismes vius, inclosos els humans.

Per obtenir una font de radiació com la del làser, ha de complir una sèrie de requisits, el principal és que ha d'emetre una radiació coherent. Una propietat característica que està estretament associada a la coherència és la presència d'un anomenat llindar de pèrdua. La radiació de sortida és majoritàriament espontània i no és diferent en les seves propietats a partir de la sortida dels díodes emissors de llum convencionals (LED). Però una vegada que s'aconsegueix el corrent de llindar, la radiació es converteix en coherent. En aquest punt, l'espectre d'emissió d'un làser macroscòpic convencional es redueix i també, els seus punts de potència de sortida. Aquesta última propietat proporciona una manera fàcil de determinar el llindar de pèrdua, és a dir, investigant com la potència de sortida varia amb la corrent (figura A).

Dependència de la potència de sortida en la corrent de la bomba per a un làser macroscòpic convencional (A), i per a un làser nanoescala típic (B) a una temperatura determinada. Font: AA Vyshnevyy i D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364 / OE.26.033473

Moltes nanolasers es comporten de la forma en què fan les seves macroscòpiques contraparts convencionals, presentant un corrent de llindar. Tanmateix, per a alguns dispositius, no es pot identificar un llindar de pèrdua analitzant la corrent de potència de sortida versus corrent de la bomba, ja que no té característiques especials i només és una línia recta a l'escala log-log (línia vermella a la figura B). Aquestes nanolasers són conegudes com "sense llindar". Això planteja la pregunta: A quina velocitat actual es converteixen la seva radiació com a làser?

La manera òbvia de respondre això és mesurar la coherència. Tanmateix, a diferència de l'espectre d'emissió i la potencia de sortida, la coherència és molt difícil de mesurar en el cas dels nanolasers, ja que requereix equips capaços de registrar fluctuacions d'intensitat en trilionèsima part de segon, que és la temporalització en què es produeixen els processos interns d'un nanolaser .

Andrey Vyshnevyy i Dmitry Fedyanin de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou van trobar una manera d'evitar les mesures de coherència directa, tècnicament desafiants. Van desenvolupar un mètode que utilitza els paràmetres làser principals per quantificar la coherència de la radiació del nanolaser. Els investigadors afirmen que la seva tècnica permet determinar el corrent de llindar per a qualsevol nanolaser (figura B). Es van descobrir que fins i tot un nanolaser "sense llums" té, de fet, un corrent de llindar diferent que separa els règims LED i les pèrdues. La radiació emesa és incoherent per sota d'aquest llindar actual i coherent per sobre d'aquest.

Corrent de llindar de Nanolaser versus temperatura del dispositiu. Les corbes blau i verde donen una aproximació molt bona del valor exacte que mostra la línia vermella. Font: Andrey A. Vyshnevyy i Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364 / OE.26.033473

Sorprenentment, el corrent umbral d'un nanolaser de cap manera no es relaciona  amb les característiques de la característica de sortida o amb la selectivitat de l'espectre d'emissió, que són senyals del llindar  en els làsers macroscòpics. La figura B mostra clarament que, fins i tot si es veu un fort parany en la característica de sortida, la transició, es produeix a corrents més alts. Això és el que els científics no podien esperar dels nanolasers.

Aquest càlculs, mostren que, en la majoria dels treballs sobre nanolasers, no es va aconseguir en el règim de pèrdua. Malgrat que les investigacions realitzaven mesures per sobre de la característica de sortida, l'emissió de nanoláser era incoherent, atès que el llindar real de pèrdua era de magnitud per sobre del valor del kink.

Tot i que les mesures de coherència i els càlculs són difícils, Vyshnevyy i Fedyanin van presentar una fórmula simple que es pot aplicar a qualsevol nanolaser. Utilitzant aquesta fórmula i la característica de sortida, els enginyers de nanolaser, ara poden mesurar ràpidament el corrent de llindar de les estructures que creen (següent anterior).

Font: Institut de Física i Tecnologia de Moscou

Les solucions de Loon per a xarxes basades en baloon tech podrien funcionar a l'espai

En els pròxims anys, Telesat planeja llançar centenars de satèl·lits per oferir banda ampla a grans zones del món. Aquests satèl·lits, que són satèl·lits de comunicacions geoestacionàries més petits, rebrien un senyal des d'un punt de la Terra, l'enviarien de satèl·lit a satèl·lit i, finalment, retornaria a la terrar a la zona on sigui necessari. Es a dir, s'està creant una ruta d'Internet al cel.

Telesat no és l'única empresa que intenta utilitzar satèl·lits per proporcionar accés a Internet, empreses com  OneWeb  i  SpaceX  tenen  objectius similars . Però construir una constel·lació tan gran és un noy terreny  que ningú encara mai ha fet en el sentit de construir una constel·lació de banda ampla amb centenars de satèl·lits.

Font: Loon

És per això que Telesat s'ha apropat a Loon, propietat de l'alfabet, que utilitza globus per oferir cobertura cel·lular a zones extenses sense infraestructures de telecomunicacions. Quan es va construir la  xarxa basada en globus, Loon era igualment en territori desconegut. Ara, Loon desenvoluparà l'equip de ràdio i el programari de xarxa que controla els globus en un sistema que podria funcionar per als satèl·lits de Telesat. (Telesat també està explorant altres possibles solucions per a la seva constel·lació).

Per tot, però, Loon ja ha tingut èxit en la seva missió donat  que, els globus de Loon van proporcionar cobertura  a Puerto Rico  després de l'huracà Maria i ara planeja llançar  una xarxa a tot Kenya . I un dels reptes clau que havien de resoldre -el que és particularment atractiu per a Telesat- és assegurar-se que cada globus es mantingui en contacte amb els globus que l'envolten, tot i que es troben constantment a la deriva en l'estratosfera.

Qualsevol sistema inalámbric terrestre és comparativament fàcil d'alinear: només cal apuntar el transmissor al receptor i la resta està configurat. Però per a un globus en el cel, no es pot apuntar el transmissor en un altre globus i activalr-lo un dia perquè aquest segon globus, mai no romandrà exactament al mateix lloc. De fet, en el cas de Loon, els globus individuals podrien desplaçar-se per diversos quilòmetres quadrats, ja que utilitzen els vents per situar-se sobre el mateix terreny.

La solució de Loon consistia a equipar cada globus amb una xarxa definida per programari (SDN) que els seus enginyers havien desenvolupat. Cada SDN del globus permet mantenir-se en contacte amb els globus que l'envolten, així com qualsevol receptor a terra, i utilitza antenes muntades en gimbals. Els ajustaments regulars i temporals fets per aquests gimbals mantenen els globus en contacte entre ells, no importa on els vents els portin.

Font: Telesat

De fet, el repte de Loon era, en molts aspectes, més complicat que el que té Telesat. Els seus globus són una mica menys previsibles. El millor dels satèl·lits és que les seves òrbites són predictibles. Si es sap on està el satèl·lit avui, s'està segurs que es sabrà on serà demà. L'SDN de Loon no requereix redissenys significatius per treballar per una constel·lació a baixa òrbita terrestre (LEO), en part perquè els satèl·lits en òrbita són bastant previsibles.

Els satèl·lits de la constel·lació planificada de Telesat tindran aproximadament una òrbita de 100 minuts. Això significa que, si des de la terra, només es podrà enviar i rebre senyals a un satèl·lit individual durant 6 o 7 minuts abans de lliurar la connexió al següent.

Tot i això, tant Loon com Telesat són optimistes perquè l'SDN de Loon es pugui adaptar fàcilment a les constel·lacions de LEO. I és afortunat que sigui senzill: Telesat té la intenció de llançar la primera fase de la seva constel·lació en el 2022. La primera fase constarà de 12 satèl·lits i es llançaran a 6 òrbites polars, amb un total de 72. Una segona fase de satèl·lits es llançarà més tard, portant 120 satèl·lits més, en òrbites equatorials. Una ronda final inclourà altres 100 satèl·lits, per fer el total de 292 de la constel·lació.

Font: IEEE Spectrum

La vida a la vora del món quàntic.

La física quàntica estableix les lleis que dominen l'univers a petita escala. 

La capacitat d'aprofitar els fenomens quàntics pot donar lloc a les computadores quàntiques, que es preveu realitzaran certs càlculs molt més ràpidament que els ordinadors convencionals. Un dels principals problemes amb la construcció de processadors quàntics és que el seguiment i el control dels sistemes quàntics en temps real és una tasca difícil, ja que els sistemes quàntics són, per descomptat, fràgils: treballar amb aquests sistemes implacablement introdueix errors significatius en el resultat final. El nou treball d'un equip d'Aalto podria ser la solució per fer ordinadors quàntics precisos.

Els circuits superconductors que componen un dispositiu de transmissió es poden utilitzar per al control de l'estat quàntic. Font: Dong Lan i Sorin Paraoanu

Els investigadors van informar que controlen els fenomens quàntics en un circuit elèctric dissenyat a la mida que anomenen transmon. L'escalfament d'un xip en unes quantes mil·lèsimes d'un grau per sobre del zero absolut indueix un estat quàntic de manera que, el xip comença a comportar-se com un àtom artificial. Una de les característiques quàntiques que interessa als investigadors és que l' energia del transmon només pot prendre valors específics, anomenats nivells d'energia. Els nivells d'energia són com passos en una escala és a dir, quan una persona que puja per l'escala només pot fer-ho d'esglaó en esglaó. De la mateixa manera, l'energia només pot ocupar els valors fixats dels nivells d'energia. Les microones  del circuit indueixen el transmon per absorbir l'energia i així, pujar els esglaons de l'escala.

En el treball publicat recentment a la revista Science Advances, el grup d'Aalto University, liderat pel Docent Sorin Paraoanu, professor titular del Departament de Física Aplicada, ha fet que el transmon superés un nivell d'energia una sola vegada. Anteriorment, això només ha estat possible mitjançant ajustos molt suaus i lents dels senyals de microones que controlen el dispositiu. En el nou treball, un senyal de control addicional de microones amb forma molt específica permet un canvi ràpid i precís del nivell energètic. El Dr. Antti Vepsäläinen, l'autor principal, diu: "Tenim una dita a Finlàndia:" Hiljaa hyvää tulee "(poc a poc es va fent). Però vam poder demostrar que mitjançant la correcció contínua de l'estat del sistema, podem impulsar aquest procés més ràpidament i amb alta fidelitat ".

El Dr. Sergey Danilin, un dels coautors, descriu el control quàntic -el procés d'ús de fitxes com transmons per a la construcció d'ordinadors quàntics- estenent l'analogia "pujar per una escala". Per obtenir un sistema quàntic útil, cal imaginar pujar una escala mentre es sosté un got d'aigua, funciona si es fa sense problemes, però si es fa massa ràpid, l'aigua es vessa, per tant, requereix una habilitat especial. 

Font: Squarespace.com

Els investigadors van trobar que, en el món quàntic, el truc per pujar l'escala ràpidament sense vessar aigua és saltant acuradament dos graons a la vegada. Aquesta escurçament de l' escala d' energia es va aconseguir fent que el transmon absorbeixi dos fotons de microones al mateix temps. Les lleis de la natura posen una restricció sobre la rapidesa amb què es pot produir qualsevol canvi d'energia quàntica, fins i tot amb retallades, una restricció anomenada límit de velocitat quàntica. Com a satisfacció, els científics d'Aalto van trobar que el seu nou mètode va generar canvis en el nivell d'energia que es van produir a velocitats properes a aquest límit calculat teòricament.

Són de potencial importància per la informàtica quàntica i les aplicacions de simulació quàntica, que requereixen operacions ràpides i altament robustes com la preparació de l'estat i la creació de portes quàntiques. El Dr. Paraoanu considera també altres oportunitats tals com la de comprendre més profundament els processos relacionats amb la transferència energètica, que són omnipresents tant en el món natural i en la tecnologia. Per exemple, hi ha límits fonamentals de com de ràpid es pot carregar la bateria d'un cotxe elèctric.  En el camp de ràpid creixement de les tecnologies quàntiques, és possible que aquest nou mètode de control contingui múltiples aplicacions.

Font: Universitat Aalto

Cel·les solars flexibles més barates.

Hi ha moltes opinions sobre les cel·les solars basades en perovskita. Són simples i barates de produir, ofereixen flexibilitat que podrien donar lloc a  una àmplia gamma de nous mètodes i emplaçaments  d'instal·lació de manera que, en els últims anys han aconseguit assolir eficiències energètiques properes a les de les cel·les tradicionals basades en silici.

Font: Google

Però saber com fer possible produir dispositius d'energia basats en perovskita, ha estat un desafiament.

Investigadors de l'Institut de Tecnologia de Geòrgia, la Universitat de Califòrnia de San Diego i el Massachusetts Institute of Technology han informat de nous descobriments sobre les cèl·lules solars perovskitas que podrien permetre fer dispositius que funcionin millor.

Les cèl·lules solars de Perovskite ofereixen molts potencials avantatges  perquè són extremadament lleugeres i es poden fabricar amb substrats de plàstics flexibles. Per poder competir al mercat amb cel·les solars basades en silici, però, necessiten ser més eficients.

En un estudi publicat el 8 de febrer a la revista Science i patrocinat pel Departament d'Energia i la National Science Foundation, els investigadors van descriure amb més detall els mecanismes de com l'addició de metalls alcalins a les perovskites tradicionals porten a un millor rendiment.

Per entendre els cristalls de perovskita, és útil pensar en la seva estructura cristal·lina com una tríada. Una part de la triada es forma generalment a partir del plom d'element. La segona, es compon típicament d'un component orgànic com el metilamonio, i la tercera, sovint es compon d'altres halurs com el brom i el iode.

En els últims anys, els investigadors s'han centrat en provar diferents receptes per aconseguir millors eficiències, com l'addició de iode i brom a la component principal de l'estructura. Posteriorment, van tractar de substituir el cesi i el rubidio a la part de la perovskita normalment ocupada per molècules orgàniques.

Font: Google

Però més tard es va saber de per què l'addició de metalls alcalins,  milloraven el rendiment del es perovskites. Per això,  els investigadors van utilitzar mapes de raigs X d'alta intensitat per examinar les  perovskites a nivell de nanoescala.

En mirar la composició dins del material perovskita,  es pot veure com cada element individual juga un paper en la millora del rendiment del dispositiu.

Es va descobrir que quan el cesi i el rubidi s'agregaven al bòmol barrejat i la perovskita de iode, va fer que el brom i el iode es barregessin de manera més homogènia, donant com a resultat una eficiència de conversió superior al 2 % respecte els materials sense aquests additius.

S'ha trobat que la uniformitat en la química i l'estructura és el que ajuda a una cel·la solar perovskita a funcionar al màxim. Qualsevol heterogeneïtat en aquesta columna vertebral és com un vincle feble de la cadena.

Font: Google

Tot i així, els investigadors també van observar que, si bé l'addició de rubidium o cesi van fer que el brom i el iode es tornessin més homogenis, els mateixos metalls d'halogen dins del seu propi catió es van mantenir bastant agrupats, creant "zones mortes" inactives a la cèl·lula solar que no produeixen corrent.

Però en aquestes perovskites, es va veure que les zones mortes entorn del rubídi i el cesi no eren massa perjudicials per al rendiment de les cèl·lules solars, encara que hi havia certa pèrdua. Això, va demostrar el sòlid que són aquests materials però també, tenen recorregut per millorar.

Els resultats, afegeixen més entesa de com funcionen els dispositius basats en la perovskita a nivell de nanoescala de manera que, podrien establir les bases per a futures millores.

Aquests materials prometen ser molt rendibles i de gran rendiment, que és pràcticament el que es necessita per assegurar que els panells fotovoltaics tindran un gran desplagament.

Font: Geòrgia Institute of Technology

The Accelerator Wall: Un nou problema per a un món de la llei de Post-Moore

Els acceleradors ja estan a tot arreu

El món del Bitcoin, es basa en xips dissenyats per accelerar l'algoritme clau de la cripto-moneda, gairebé tots els aspectes digitals que fan que un so utilitzi descodificadors d'àudio  i desenes d'empreses start-up, estan perseguint un silici ràpid que podria fer que el deep-learning sigui omnipresent. Aquest tipus d'especialització, perment als algorismes comuns,  que s'executen com un programari en CPU funcionar més ràpids. Això,  es considera com una forma de mantenir la informàtica estancada després de la introducció de la llei de Moore en una o dues generacions de xips.

Font: iStockphoto

Però es creu que no funcionarà durant molt de temps. Aquesta és la conclusió que el professor associat d'enginyeria elèctrica de la Universitat de Princeton, David Wentzlaff, i el seu estudiant de doctorat, Adi Fuchs, segons van  presentar recentment al Simposi Internacional de l' IEEE sobre Arquitectura d'Informàtica d'Alt rendiment. L'especialització de xips, que calculen, no poden produir els tipus de guanys que la Llei de Moore podria fer. El progrés dels acceleradors, en altres paraules, arribarà a una límit que arrivarà abans del que s'esperava.

Per provar aquest punt, Fuchs i Wentzlaff havien d'esbrinar quants guanys en el rendiment provenen de les millores del propi de xip i quants,  provenen de la Llei de Moore. Això significa examinar més de 1.000 fulls de dades de xips i identificar quina part de les millores de generació en generació es devia a millors algorismes o, de la seva enginyosa implementació com a circuits. En altres paraules, estaven buscant quantificar l'enginy humà.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/43/Threshold_formation_nowatermark.gif/450px-Threshold_formation_nowatermark.gif

Així que van fer el que feien els enginyers: el van convertir en una quantitat adimensional. El retorn de les millores  de xips, tal com el van anomenar, respon a la pregunta: "Quant va millorar les capacitats d'un  xip  segons el nombre de transistors físics?

Utilitzant aquesta mètrica, es va avaluar la descodificació de video en un circuit integrat específic d'aplicació (ASIC), la taxa  del joc en una GPU, les xarxes neuronals convolucionals en una FPGA i una mineria de Bitcoin en un ASIC. Els resultats no van ser impactants: els guanys en fitxes especialitzades són molt depenents de la continuïtat de més transistors disponibles per mil·límetre quadrat de silici. En altres paraules, sense la llei de Moore, les potencies dels xips, són limitades.

El nombre de bits de memòria flash disponible per centímetre quadrat continua augmentant independentment de la  Moore's Law, ja que la indústria s'ha traslladat a una tecnologia 3D que li dóna la possibilitat de fer 256 o més capes de cel·les. Fuchs i Wentzlaff ja han començat a explorar això, desenvolupant una arquitectura informàtica que accelera la computació, ja que el processador busca còpies prèvies emmagatzemades a la memòria en comptes de recomputar-les.

El final de la Llei de Moore no és "la fi del món", diu Wentzlaff. "Però s'ha d'estar preparats per això".

Font: IEEE Spectrum

Nou tipus d'imant.

Un equip de científics, han descobert el primer exemple sòlid d'un nou tipus d'imant, que promet millorar el rendiment de les tecnologies d'emmagatzematge de dades.

Font: Google

Aquest nou imant, es diferencia dels imants convencionals, en què els petits components magnètics s'alineen entre si per crear un fort camp magnètic. Per contra, l'imant recentment descobert i basat en singlets, té camps que resulten en una força inestable, que pot tenir més flexibilitat que els equivalents convencionals.

Hi ha molta investigació sobre l'ús d'imants i el magnetisme per millorar les tecnologies d'emmagatzematge de dades, els imants basats en singlet, han de tenir una transició més sobtada entre les fases magnètiques i no magnètiques. No cal fer-ho tant per aconseguir que el material passi entre estats no magnètics i fortament magnètics, que podrien ser beneficiosos per al consum d'energia i la velocitat de processament d'un ordinador.

Font: Scienceblog.com/

També hi ha una gran diferència en la forma en què aquest tipus de magnetisme s'aparella amb els corrents elèctrics. Els electrons que entren al material interactuen molt fortament amb els moments magnètics inestable. Per tant, és possible que aquestes característiques puguin ajudar a resoldre colls d'ampolla i permetre un millor control de la informació emmagatzemada magnèticament.

El treball, publicat a la revista Nature Communications, també inclou investigadors del Laboratori Nacional de Lawrence Berkeley, l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia, la Universitat de Maryland, la Universitat de Rutgers, el Laboratori Nacional de Brookhaven, la Universitat de Binghamton i el Laboratori Nacional Lawrence Livermore.

La idea d'aquest tipus d'imant es remunta a la dècada del 1960, a partir d'una teoria que contrastava amb el que va ser conegut durant molt de temps sobre els imants convencionals.

Font: Amazonaws.com

Un imant típic conté una sèrie de petits "moments magnètics" que estan alineats amb altres moments magnètics, tots actuant al uníson per crear un camp magnètic. Exposar aquest ensamblat a la calor eliminarà el magnetisme; aquests petits moments es mantindran, però esdevindran en posicions aleatòries,ja deixaran d'estar alineades.

Un pioner pensament de fa més de 50 anys, per contra,  va plantejar que un material que manqui de moments magnètics, encara podria ser un imant. Això sembla impossible, segons els científics, però funciona a causa d'una mena de moment magnètic temporal anomenat "excitó de spin", que pot aparèixer quan els electrons xoquen entre ells sota  condicions adequades.

Un sol excitó d'spins, tendeix a desaparèixer a curt termini, però quan hi ha molts d'ells, la teoria indica que es poden estabilitzar i catalitzar l'aparició de més excitons,  fins i tot, en una espècie de cascada.

En la investigació del Nature Communications, els científics van intentar descobrir aquest fenomen. S'han trobat diversos candidats dels anys 70, però tots són difícils d'estudiar, amb  només magnetisme estable a temperatures extremadament baixes.

Mitjançant la dispersió de neutrons, la dispersió de raigs X i les simulacions teòriques, els investigadors van establir un vincle entre els comportaments d'un imant molt més robust, USb2 i les característiques teoritzades dels imants basats en singlets.

Aquest material ha estat tot un enigma durant les últimes dues dècades: les formes en què el magnetisme i l'electricitat es relacionen internament entre si, se sap que són estranyes i només comencen a tenir sentit amb aquesta nova classificació.

Concretament, es va trobar que l'USb2 té els ingredients crítics per a aquest tipus de magnetisme, particularment una propietat mecànica quàntica anomenada "Hundness" que regula com els electrons generen moments magnètics. Hundness recentment s'ha demostrat com un factor crucial per a una gamma de propietats mecàniques quàntiques, inclosa la superconductivitat.

Font: Universitat de Nova York  

 

Panells solars d'injecció de tinta a punt de revolucionar l'energia verda

Què passaria si un dia tots els edificis es puguesin  equipar amb finestres i façanes que satisfacin totes les necessitats energètiques de l'estructura?

Aquest somni de la sostenibilitat és avui una mica més a prop gràcies a la física i empresària polonesa, Olga Malinkiewicz.

Olga Malinkiewicz (Font: Google)

L'estudiant de 36 anys ha desenvolupat un nou mètode de processament d'injecció de tinta per a perovskites: una nova generació de cel·les solars més barates que permet fabricar panells solars a temperatures més baixes, reduint així els costos de producció.

De fet, la tecnologia perovskita està a punt de revolucionar l'accés a l'energia solar per a tots, atesa les seves sorprenents propietats físiques, segons alguns experts.

"Les cèl·lules solars de perovskitas, tenen el potencial de fer front a la pobresa energètica mundial", va dir Mohammad Khaja Nazeeruddin, professor de Institut Federal de Tecnologia de Suïssa, Lausanne, una institució a l'avantguarda de la recerca en energia solar.

Els panells solars recoberts amb el mineral són lleugers, flexibles, eficients, econòmics i vénen en diferents matisos i graus de transparència.

Font: Google

Es poden ajustar fàcilment a gairebé qualsevol superfície, ja sigui portàtil, automòbil, avioneta, nau espacial o edifici, per produir electricitat, inclòs a l'ombra o a l'interior.

Encara que el perovskita ha estat conegut per la ciència des d'almenys la dècada del 1830, quan va ser identificat per primera vegada pel mineralogista alemany Gustav Rose mentre prospeccionava a les muntanyes d'Ural i va rebre el nom del mineralogista rus Lev Perovski.

En les dècades següents, va ser possible, sintetitzar l'estructura atòmica del perovskita.

Però no va ser fins al 2009 que l'investigador japonès Tsutomu Miyasaka va descobrir que la perovskita es podia utilitzar per formar cel·les solars fotovoltaiques.

Inicialment, el procés era complicat i requeria temperatures extremadament altes, de manera que només els materials que podrien suportar un vidre extremadament calorífic podrien recobrir-se amb cèl·les de perovskitas. Aquí és on entra Malinkiewicz.

L'any 2013, mentre era estudiant de doctorat a la Universitat de València a Espanya, va descobrir una forma de revestir una làmina flexible amb perovskita utilitzant un mètode d'evaporació.

Més tard, va desenvolupar un procediment d'impressió d'injecció de tinta que reduïa els costos de producció de forma suficient per fer que la producció en massa fos econòmicament viable.

El seu descobriment va ser publicat ràpidament en un article a la revista Nature  de manera que va cridar l'atenció dels mitjans de comunicació i també aconseguir el premi Photonics21 Student Innovation en un concurs organitzat per la Comissió Europea.

L'edició polonesa de MIT Technology Review també el va seleccionar com un dels seus articles innovadors en el 2015.

Font: Timesofindia

Va continuar  co-fundant l'empresa Saule Technologies, juntament amb dos empresaris polonesos.

Van haver d'adquirir tots els seus equips de laboratori des de zero, abans que el multimilionari inversor japonès Hideo Sawada participés en el finançament.

La companyia compta ara amb un laboratori ultra-modern amb un equip internacional de joves experts i està construint una planta de producció a escala industrial.

Aquesta serà la primera línia de producció del món amb aquesta tecnologia. La seva capacitat arribarà als 40.000 metres quadrats de panells a finals d'any i 180.000 metres quadrats l'any següent.

Finalment, les línies de producció compactes es podrien instal·lar fàcilment a tot arreu, segons la demanda, per fabricar panells solars a mida de perovskita .

Edificis autosuficients

El grup de construcció suec Skanska, està provant els panells a les façanes d'un dels seus edificis de Varsòvia.

També va acordar llicències amb Saule al Desembre pel dret exclusiu d'incorporar la tecnologia de la cèl·lula solar de la companyia als seus projectes a Europa, Estats Units i Canadà.

Olga Malinkiewicz (Font: Google)

Les perovskites han demostrat ser exitoses fins i tot en superfícies que reben poca llum solar, de manera que es pot aplicar pràcticament a tot arreu. Més o menys transparent, els panells també responen als requisits del disseny. Gràcies a la seva flexibilitat i els diferents tints, no cal afegir elements arquitectònics addicionals.

Un panell estàndard d'aproximadament 1,3 metres quadrats, amb un cost previst de 50 euros ($ 57), proporcionaria un valor equivalent del consum d'energia durant un dia per una oficina, d'acord amb les estimacions actuals. El cost inicial del  producte, serà comparable als panells solars convencionals.

Font: AFP

Llançadores BUS sense conductor.

Els visitants de la cituatat de Columbus a Ohio, tenen una nova forma de visitar els llocs d'interès de la ciutat. Una flota de vehicles elèctrics de conducció autònoma, transporten els passatgers al voltant d'un grup de museus i parcs, utilitzant sensors i programari. El  projecte pilot , que va començar a mitjans de desembre, pertany a un projecte a escala estatal per millorar la seguretat viària i la mobilitat en aquesta capital dependent del cotxe.

Font: SmartColumbus.

El que s'està veient és, com aplicar la tecnologia per millorar la vida de les persones en un context de transport, ja que es vol seguir estenent la tecnologia dels vehicles autònoms per ser aplicats en casos d'ús real de les comunitats.

L'Smart Columbus, va ser llançat en el 2016 després que la ciutat guanyés a altres 77 ciutats mitjanes dels Estats Units per obtenir un grup de finançament "de transport intel·ligent". El departament de transport dels EUA va atorgar a Columbus fins a  US$ 40 milions, mentre que Vulcan Inc. , l'empresa privada del fundador de Microsoft, Paul Allen, obtindrà fins a  10 milions de dòlars . El programa pretén desenvolupar dades avançades i tecnologies de sistemes intel·ligents per resoldre problemes que pateixen moltes xarxes de transport urbà: congestió del trànsit, accidents, contaminació, retards en el transport i inaccessibilitat.

En una tarda del mes de Gener, al centre de Columbus, tres llançadors de color verd i blanc van circular al voltant d'un  circuit de 2,4 km, passant per un grapat de gratacels i al llarg del riu Scioto. Hi han tres autobusos més que estan en un aparcament, carreguen les bateries o esperen el seu torn per fer la rotació.  May Mobility  opera els vehicles, que poden asseure sis persones i viatjar a una velocitat màxima de 40 km/h.

Gif: Maria Bellucci

Actualment, hi ha un operdor/conductor que està al davant d'un tauler digital que controla gràcies a una barra en forma de 'T' per a la direcció manual, juntament amb un panell de control de botons i un fre de mà d'emergència. Degut a las darreres nevadesm les voreres encara estan enterrades. Com a precaució, cap dels transbordadors funciona de manera autònoma en aquestes situacions ja que els sensors podrien interpretar els la neu o els mateixos flocs de neu, com a obstruccions i aturar el vehicle.

Encara és aviat, i encara s'està aprenent i observant. Amb qualsevol sistema de conducció autònoma, qualsevol canvi ambiental o del temps, cal que estiguin sota supervissió.

El gran repte i secret d'aquestes llançadores, està en el programari que es basa en un conjunt propietari d'algoritmes que l'empresa denomina "Decisió de polítiques múltiples", el qual, aqeust desenvolupament, va començar al laboratori del CEO i fundador  Edwin Olson , professor de robòtica de la Universitat de Michigan a Ann Arbor.

L'enfocament comú de la intel·ligència artificial és formar el sistema, alimentant-lo amb tones i tones de dades que representen molts escenaris diferents, i després intenta ensenyar el sistema a reaccionar en aquests escenaris. el May Mobility, està dissenyat per comprendre situacions a un nivell molt més granular i, en realitat, és capaç de predir el que passa, agent per agent, en comptes de reconèixer i reaccionar.

Sensors visibles al vehicle

Foto: Maria Gallucci

L'habitatge del sensor ha estat dissenyat a mida per protegir un radar i les unitats LIDAR de curt abast.

May Mobility equipa les seves llançaderes amb una combinació de diferents càmeres, radar i múltiples LIDAR, que dóna al sistema una visió de 360 ​​graus a nivell d'alta resolució, de distància mitjana i propera, per a una ràpida resposta. 

També, Smart Columbus planeja una segona ruta d'autobusos amb autoconducció a Linden, un barri de baixos ingressos amb escassetat d'opcions de transport públic, amb l'objectius de connectar els viatgers diaris a parades d'autobús i altres centres de trànsit, tancant el que es coneix com l 'esletxa d'accés " primera milla / última milla.

Perquè Columbus està optant per provar autobusos d'autoconducció en lloc d'afegir més autobusos impulsats per persones a Linden? 

La resposta està en que l'objectiu final de la ciutat és ajudar a les tecnologies pioneres que, a través de la connectivitat, la consciència i la sensibilitat, poden reduir dràsticament el trànsit, els morts i ferits greus. La seguretat és una esperança bàsica a llarg termini per a la tecnologia.

També, hi ha un altres potencials beneficis per reemplaçar els humans per programari, tot i que els conductors d'autobusos no els agrada aquest missatge. Un  humà, en realitat és una de les peces més costoses de l'equació. Una vegada que realment hi cpacitat de treure  conductors d'aquests vehicles, serà molt més econòmic respecte altres tipus de solucions.

Font IEEE Spectrum