Funcionament intern dels materials magnètics.

Björn Alling, investigador de física teòrica de la Universitat de Linköping, juntament amb els seus col·legues,  han completat la tasca que se li va atorgar en el Consell de Recerca Suec a la tardor del 2014: esbrinar què passa a l'interior dels materials magnètics a altes temperatures.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/news/800/2018/5be42b4ee7a2e.jpg

El nitrur de crom, CrN, és un material magnètic utilitzat en la indústria com, entre altres coses, un revestiment de superfície dura. També és d'interès per als investigadors, ja que és un mal conductor de calor a altes temperatures, el que el fa adequat per a ser utilitzat en, per exemple, sistemes termoelèctrics. 

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2017/
39-researcherse.jpg

Tanmateix, el comportament del nitrur de crom és bastant notable a temperatures lleugerament superiors. Les nitril·les són compostos que contenen nitrogen, N, juntament amb un altre element. La capacitat de la majoria dels nitrurats per dur a terme calor, disminueix lentament, segurament a mesura que augmenta la temperatura. La conducció de calor del nitrur de crom, per contra, cau precipitadament després d'un augment moderat de la temperatura, i es manté a un baix nivell constant, fins i tot quan el material s'escalfa a 600 °C. Els mecanismes d'aquest comportament han deixat als investigadors perplexos durant molts anys.

Durant l'última, dècada han tingut importants avenços en la investigació teòrica de la ciència dels materials. Els investigadors han determinat quins mètodes de càlcul són més precisos i han obtingut accés pels supercomputadors per poder fer càlculs prou potents .

Hi ha hagut un gran forat en el  coneixement sobre com funcionen els materials magnètics a altes temperatures

http://www.engineersjournal.ie/wp-content/uploads/2017/05/magnet.jpg

Fa gairebé quatre anys, a finals del 2014,  es va concedir una important beca de recerca del Consell de Recerca Suec per intentar cobrir aquest forat, en col·laboració amb investigadors del Max-Planck-Institut für Eisenforschung de Düsseldorf. Björn Alling va passar dos anys a l'institut, un líder mundial en recerca de materials magnètics.

La col·laboració ha tingut èxit i ha donat lloc a un article de la prestigiosa revista Physical Review Letters, on el grup descriu un nou mètode que  ha permès calcular exactament el que succeeix en el nitrur de crom quan s'escalfa. Per fi es tenen càlculs teòrics que coincideixen amb el comportament del material.

Es vol comprendre els materials, independentment de la seva temperatura, pressió i composició, i així, poder-los descriure amb precisió. Els càlculs teòrics i els mètodes que s'han desenvolupat ofereixen una base estable per mantenir-se al dia en el desenvolupament d'aplicacions industrials. 

El mètode que s'ha desenvolupat, dóna resultats d'alta precisió, i això significa que els càlculs són molt exigents.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2013/jhghukhl.jpg

En materials sòlids, els àtoms estan disposats en una estructura de cristall ben organitzada, a distàncies definides entre si. A mesura que s'escalfa el material, els àtoms comencen a vibrar.

Cada àtom d'un material magnètic conté el que es pot considerar com una agulla  diminuta, un dipol amb un final positiu i un final negatiu. En els materials magnètics clàssics, com el ferro, les agulles apunten en la mateixa direcció, cosa que dóna al material les seves propietats magnètiques típiques. Mentre el material s'escalfa, però, les agulles de la brúixola comencen a girar de forma imprevisible.

Hi ha mètodes disponibles per calcular i simular les vibracions i rotacions amb una gran precisió per separat, però prediuen que la capacitat de generar calor disminueixi gradualment. Això no és el que passa amb el nitrur de crom.

S'ha desenvolupat un mètode en el qual es descriu com canvien les vibracions atòmiques en una escala de temps de femtosegons, calculant les forces dels àtoms utilitzant mètodes mecànics quàntics. A això cal afegir càlculs de la dinàmica del spin: quant el magnetisme en l'àtom gira en un femtosegon. Posteriorment, es col·loca aquest càlcul al model dinàmic de com vibren els àtoms.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2012/magneticvort.jpg

El mètode va tenir èxit ja que el nitrur de crom, és notable per la seva baixa conducció de calor a temperatures lleugerament elevades. Per això, s'ha pogut demostrar per què, i les simulacions prediuen el comportament amb precisió. De fet, ningú no ho havia aconseguit anteriorment.

El càlcul i la simulació del que passa en el material durant 30 picosegons requereix més d'un mes de temps de processador dels recursos disponibles per als investigadors del Centre Nacional de Supercomputadors de LiU a Düsseldorf

S'ha pogut combinar una profunda comprensió dels fenòmens físics i quàntics fonamentals, i s'ha tingut accés a una potència informàtica suficient. Passarà un temps abans que el mètode s'utilitzi àmpliament en la ciència, ja que els càlculs són molt precisos i exigents, però cal utilitzar aquest mètode per progressar.

El següent pas serà aplicar el mètode en el ferro i els seus aliatges. Aquest és un dels materials més antics utilitzats al llarg de la història de la humanitat, però encara no es te una comprensió profunda.

Aquesta és la investigació teòrica amb grans aplicacions pràctiques, sobretot en la indústria de l'acer.

Font: Universitat de Linköping  

Nitrogen cristal·litzat

Per primera vegada i en laboratòri, s'ha descobert una forma extraordinàriament complexa d'un dels elements químics més abundants de la Terra.

Investigadors van crear una versió cristal·litzada del nitrogen -que en condicions normals és el principal component de l'aire-, sotmetent-lo a pressions i temperatures extremes.

Per primera vegada, l'estudi mostra que els elements moleculars simples,  poden tenir estructures complexes a altes pressions.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/news/800/2018
/intensetests.jpg

Un equip internacional de científics dirigit per la Universitat d'Edimburg va utilitzar una enclusa amb punta de diamant d' alta pressió per pressionar petites quantitats de nitrogen a pressions de mig milió de vegades la de l'atmosfera de la Terra, mentre que s'escalfava a uns 500 º Celsius.

A continuació, van utilitzar la tecnologia de raigs X amb la finalitat de capturar una imatge dels cristalls resultants, i es van sorprendre al descobrir que el nitrogen havia format un complicat arranjament  format per dotzenes de molècules.

Aquest descobriment, resol l'especulació sobre l'estructura d'aquesta forma del nitrogen, coneguda com ι-N2 la qual, es va descobrir fa 15 anys però la seva estructura no era desconeguda fins ara.

Les simulacions informàtiques de la nova estructura han donat valuoses idees, trobant-lo sorprenentment estable.

L'estudi, publicat al Nature Communications, es va dur a terme en col·laboració amb el European Synchrotron Radiation Facility a França, i amb investigadors a la Xina. Va ser recolzat pel Consell d'Investigació en Ciències Físiques i d'Enginyeria.

 https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/news/800/2018/1-intensetests.jpg

Robin Turnbull, de l'Escola de Física i Astronomia de la Universitat d'Edimburg, que va dirigir l'estudi, va dir: "Esperem que aquests resultats impulsin noves investigacions sobre per què els elements relativament simples han de formar estructures tan complexes, és important que seguim buscant promeses noves línies d'investigació científica ".

Font: Universitat d'Edimburg

Nou estàndard per la recàrrega del VE.

Dos grups de la indústria, el CHAdeMO del Japó i el Consell de l'electricitat de la Xina, que són els defensors més forts del món dels vehicles elèctrics (EV), anuncien que properament, codificarien un protocol de càrrega ultrafast per a vehicles elèctrics. 

Aquests dos socis, sota la supervisió dels governs japonès i xinès, estan convidant a altres països a unir-se. El seu objectiu és desenvolupar un estàndard mundial per a tot tipus de vehicles elèctrics per al 2020.

https://spectrum.ieee.org/image/MzE4OTY3MA.jpeg

CHAdeMO, un consorci d'automoció, generació d'energia i empreses de TI (incloent Kia,  Mitsubishi Motors i Nissan), tenen la major instal·lació mundial de carregadors de Vcc per a vehicles elèctrics: 22.647 unitats que operen en 71 països. Això inclou més de 2.900 a Amèrica del Nord i més de 7.900 a Europa.

L'homòleg xinès de CHAdeMO, China Electricity Council (CEC), compta amb 270.000 carregadors utilitzant el seu estàndard GB / T instal·lat a la Xina i l'Índia. Junts, els dos grups representen més del 90 per cent del mercat de carregador ràpid EV instal·lat, és a dir, les estacions de càrrega Vcc de fins a 120 quilowatts que es connecten directament a la bateria.

https://d2t6ms4cjod3h9.cloudfront.net/wp-content/uploads/2018/03/111-1.png

Ambdues organitzacions utilitzen actualment els seus propis estàndards de càrrega, que comparteixen algunes característiques comunes com són el controlador d'area de xarxa (o bus CAN), que és un estàndard per a comunicacions entre unitats de control electrònic per a sistemes com serien els airbags, els sistemes d'àudio i els sistemes de control del motor.

El nou estàndard del carregador d'EV passa pel de treball d'en ChaoJi. Makoto Yoshida, secretari general de l'Associació CHAdeMO i gerent general de Nissan, en una breu reunió informativa a la premsa estrangera a Tòquio, va assenyalar que "no hi ha res definit" en les especificacions de manera que hi ha lloc per incorporar nous països per que s'uneixin en aquest treball.

https://img.futurecar.com/201808/31/l_5b8a354770743.jpg

La potència màxima per a la nova norma s'estableix provisionalment a 900 kW (1.500 x 600 amperes) per satisfer les necessitats de les bateries d'alta potència del futur. Això serà capaç de carregar vehicles a gran velocitat, com ara, autobusos, camions i helicòpters. Per exemple, mentre que un carregador de 50 kW trigua uns 30 minuts a carregar una bateria de 25 quilowatts hora d'avui, un carregador de 900 kW podria carregar una bateria de 450 kWh en 30 minuts.  

Tanmateix, abans que això succeeixi, CHAdeMO té la intenció de modificar la seva especificació per als carregadors propers per gestionar 350 kW i 500 kW-plus, en el nou estàndard de ChaoJi. També requerirà als fabricants que incloguin un nou disseny de connector i cables amb refrigeració per líquid.

https://468y981o84o43v2wo2600a0gcj-wpengine.netdna-ssl.com/
wp-content/uploads/2015/04/CHAdeMO-CCS.jpg

Actualment la norma ChaoJi no compromet la comunicació entre vehicles i entre vehicles i carregadors. Tant l'actual CHAdeMO com els estàndards GB / T utilitzen el bus CAN, i aquest serà l'elecció dels socis. Un dels avantatges del CAN és que permet comunicacions entre les unitats de control d'un vehicle sense necessitat de cablejat res específic entre ells i sense sobrecarregar l'ordinador del controlador.

Pel que fa a la comunicació entre un vehicle i el carregador, la seqüència de la comunicació i el contingut d'aquesta, han de seguir sent els mateixos. Les mateixes regles s'han d'aplicar des de la càrrega d'alta potència  fins a la càrrega de baix consum.

Els socis  estan disposats a  fer que el nou protocol sigui compatible amb els estàndards actuals de CHAdeMO i GB / T. Això permetria que els carregadors actuals continuïn utilitzant-se sota el nou estàndard.

https://www.ft.com/__origami/service/image/v2/images/raw/https%3A%2F%2Fs3-ap-northeast-1.amazonaws.com%2Fpsh-ex-ftnikkei-3937bb4%2Fimages%2F0%2F7%2F7%2F1%2F16661770-1-eng-GB%2F20181115-Batteries-Thumbnail.png?source=nar-cms&width=1600&height=900&fit=cover&gravity=faces

Yoshida va afegir que també està pensant en desenvolupar un estàndard que cobreixi el baix nivell del mercat per a vehicles com ara scooters, carretons elevadors i cotxes lleugers. Aquest tipus de carregador seria de 2 a 20 kW.

Malgrat el domini actual de les normes CHAdeMO i GB / T, un tercer estàndard desenvolupat per la Societat d'Enginyers Automotrius podria suposar una amenaça a llarg termini. Un sistema de càrrega combinada anomenat (CCS), està recolzat per BMW, Ford,  General Motors, VW i altres. Es presenta en dos opcions que combinen  la càrega a Vac i Vcc en un sol connector i es denominen Combo 1 i Combo 2. Combo 1 utilitza un connector monofàsic per Vac i s'utilitza a Amèrica del Nord. Combo 2  utilitza connexions monofàsiques i trifàsiques per Vac. Tot i que el CCS va arribar tard en el 2014 (cinc anys després del debut de CHAdeMO), la seva incorporació està augmentant ràpidament.

Una quarta norma propietària, ideada per Tesla, també està guanyant terreny. El sistema Tesla Supercharger ofereix tres velocitats de càrrega:  lent (120 volts / 15-20 A), mitjà (240 V / 80 A) i ràpid (480 V / 300 A) que proporciona un rang d'autonomia que va  des de 3 a 273 quilòmetres per hora de càrrega.

La confusió causada per les normes de carregador incompatibles és només un dels obstacles que impedeixen una ràpida adopció d'EVs. Altres obstacles inclouen preus elevats, una infraestructura de càrrega limitada, una ansietat per l'autonomia i un temps de càrrega lent.

https://electrek.co/wp-content/uploads/sites/3/2018/06/chademo-
e1529072280125.jpg?quality=82&strip=all&w=1200

En cas que CHAdeMO i CEC obtinguin el suport de tercers països per crear un estàndard a nivell de tota la indústria per a la càrrega ultrafast, podria eliminar alguns d'aquests obstacles.

Però la introducció d'un tercer estàndard, a més de les normes actuals de CHAdeMO i CCS, suposarà un mal de cap important per als desenvolupadors de maquinari

Els fabricants d'automòbils necessiten canviar el disseny elèctric dels seus cotxes per a cada nou estàndard, canviar els muntatges de maquinari i comprovar la compatibilitat electromagnètica, entre d'altres tasques.

Per reduir la càrrega dels fabricants i permetre un desplegament senzill de la nova infraestructura de càrrega, el nou estàndard ha de mantenir una estreta afinitat amb els estàndards existents. A més, la indústria de l'EV hauria de desenvolupar noves tecnologies com ara mètodes semiautomàtics i automàtics de connexió de vehicles als carregadors.

Font: IEEE Spectrum