Научный дайджест №12: об электромобилях, аккумуляторах и нейроморфных перспективах

⇡#Так ли безвредны для экологии электромобили?

Несмотря на огромный вред окружающей среде от традиционного дорожного транспорта, полностью отказаться от него в ближайшей перспективе вряд ли представляется возможным. Единственный выход в разработке новых видов транспорта, которые бы отличались большей дружелюбностью к экологии. Одним из таких перспективных направлений считаются электромобили (EV, electric vehicles). Ведь они, казалось бы, лишены вредных выхлопов, обладают высокой экологичностью, так как не используют нефтяное топливо, антифризы, моторные масла, фильтры для этих жидкостей и т.д.

Многие страны, включая членов Евросоюза и США, разрабатывают инициативы, планы и стратегии с целью развития электромобилей. Одна из наиболее амбициозных целей предложена консорциумом Международного энергетического агентства (International Energy Agency) и восемью странами (Китай, Франция, Германия, Япония, Южная Африка, Испания, Швеция и США). Состоит она в том, чтобы к 2020 году довести объём выпуска полностью электрических и гибридных электромобилей до двадцати миллионов. При этом массово поставляемые электромобили и гибриды первой волны, такие как Citroen C-Zero, Nissan Leaf, Renault Kangoo ZE, GM Volt, Ford Electric Focus, уже сегодня доступны на рынке.

Из-за того, что электротранспорт имеет нулевой уровень выхлопов, принято считать, что этот вид транспорта является «зелёным» и безвредным. Но исследования ученых показывают, что не всё здесь так гладко. Реальное положение дел гораздо сложнее, ведь необходимо учесть также и большое количество побочных влияний на протяжении всего жизненного цикла такого транспорта. Перед принятием серьёзных инвестиционных решений в пользу новых видов транспорта следует тщательно сравнить развивающиеся технологии с их традиционными конкурентами.

Исследование Environmental impacts of hybrid and electric vehicles (DOI: 10.1007/s11367-012-0440-9), опубликованное в семнадцатом выпуске журнала International Journal of Life Cycle Assessment, показывает, что при оценке вреда транспорта для экологии одно из важнейших значений имеет анализ цикла производства. Например, для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV, internal combustion engine vehicles) вклад производства в глобальное потепление составляет около 10%. То есть необходимо комплексно подходить к проблеме оценки. В частности, производство электронного оборудования требует использования различных (не всегда «зелёных») материалов, которые ставят не первый план вопрос утилизации отходов и заставляют задуматься о риске повышения токсичности окружающей среды.

Лишь небольшое количество исследований детально рассматривает производство электромобилей, но и в них учитываются далеко не все аспекты. Ученые из Норвежского университета науки и технологий (Norwegian University of Science and Technology) в своей недавней работе Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles (DOI: 10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x), опубликованной в последнем выпуске журнала Journal of Industrial Ecology, попытались провести основательный сравнительный анализ влияния на экологию электромобилей и традиционных автомобилей в течение всего жизненного цикла. Результаты оформлены в виде набора из десяти релевантных категорий. Нормализированные метрики включают влияние на глобальное потепление (GWP), подкисление земли (TAP), формирование твердых частиц (PMFP), формирование фотохимических оксидантов (POFP), токсичность для человека (HTP), экотоксичность пресной воды (FETP), земную экотоксичность (TETP), эвтрофикацию пресной воды (FEP), истощение минеральных запасов (MDP), истощение источников полезных ископаемых (FDP). Величины этих метрик в виде гистограмм изображены на рисунке ниже.

Как показывают результаты, отрасль электротранспорта в целом может оказаться более вредной по сравнению с традиционной автомобильной промышленностью. Здесь всё зависит от многих факторов, в том числе, способа добычи электричества. В странах с развитой альтернативной энергетикой негативное влияние электромобилей на окружающую среду будет меньшим. Если же электричество добывается из угля, то активное развитие электротранспорта может нанести ощутимый вред экологии. Также стоит обратить внимание и на цепочку поставок комплектующих. Производство мощных аккумуляторов совсем не безвредно. В общем, ученые в своём исследовании дают понять, что с оценкой экологичности новых видов транспорта всё очень непросто и подход здесь нужен основательный.

⇡#Новые алгоритмы улучшат аккумуляторы

Раз уж мы коснулись темы электромобилей, логичным видится включение в данный выпуск новости о разработке учеными из Калифорнийского университета (University of California) передовых оценочных алгоритмов для систем управления аккумуляторами (BMS, battery management systems), которые позволят литиево-ионным источникам питания работать эффективнее, снизят их себестоимость, а также ускорят зарядку таких батарей.

В настоящее время для мониторинга характеристик аккумулятора и его работоспособности производители обычно используют данные о величинах напряжения и тока. Как отмечает профессор Мирослав Крстик (Miroslav Krstic), такой метод даёт очень грубый и неточный результат. Вследствие этого, из соображений безопасности разработчики создают батареи более крупных, чем надо, габаритов и веса, что увеличивает их стоимость. Кроме того, их время зарядки слишком большое, так как с целью перестраховки аккумуляторы настроены на работу в щадящем режиме. А это ограничивает, главным образом, отрасль электромобилей.

Компания Toshiba, например, недавно заявила о своих планах отказаться от серийного выпуска своего электромобиля второго поколения eQ, ссылаясь на слишком длительную зарядку батарей, которая, по мнению производителя, не позволит ему завоевать массовую популярность.

Классические литий-ионные батареи состоят из трёх листов, скрученных вместе. Один из крайних слоёв выступает анодом, средний играет роль сепаратора, и последний является катодом. Когда аккумулятор полностью заряжен, ионы лития сохраняются на аноде. При подключении приёмника питания, ионы перемещаются от анода к катоду. Для того, чтобы батарея правильно функционировала, важно знать, как именно ионы распределяются на аноде. Но это очень тяжело измерить, даже с использованием сложного дорогостоящего оборудования.

Рис. 2. Структура литиево-ионного элемента

Ученые разработали алгоритмы, позволяющие оценивать процессы в батарее на электрохимическом уровне. С помощью предложенной математической модели можно также оценить изменение «состояния здоровья» аккумулятора с течением времени. Исследователи надеются сформулировать стратегию зарядки и использования батарей для полного раскрытия их потенциала, обеспечивающую при этом безопасность эксплуатации.

Для развития проекта Агентство передовых исследований в области энергетики ARPA-E выделило грант в размере $9,6 млн, который разделят между собой Калифорнийский университет, а также участвующие в разработке компании Bosch и Cobasys. Эти деньги пойдут на проведение тестирований алгоритмов на реальных аккумуляторах, включая оценку распределения заряда в батарее, её состояния, а также разработку оптимальных стратегий зарядки и разрядки. По предварительным данным, внедрение новых алгоритмов позволит снизить себестоимость литий-ионных аккумуляторов на 25%, а также позволит вдвое сократить время зарядки.

⇡#Аппаратная основа нейроморфных компьютеров

Напоследок расскажем об интригующем исследовании группы ученых из Университета Париж-Юг (Universite Paris-Sud), Университета д’Еври-Валь д‘Ессона (Universite d’Evry-Val d’Essonne), Кембриджского университета, Национального института передовой промышленной науки и технологий Японии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST). В публикации A ferroelectric memristor (DOI: 10.1038/nmat3415), опубликованной в последнем выпуске журнала Nature Materials, делается предположение о возможности использования ферроэлектрических мемристоров (мемристор — микроэлектронный элемент, изменяющий своё сопротивление в зависимости от протекающего через него заряда) в качестве аппаратной основы для создания компьютеров, работающих наподобие человеческого мозга. Созданный учеными прибор отличается от других известных мемристоров высокой скоростью переключения (10 нс) и широким диапазоном изменения сопротивления (на два порядка).

В туннельных переходах с сегнетоэлектрическим барьером переключение поляризации ферроэлектрика вызывает изменение туннельного сопротивления. При этом разница сопротивления между состояниями «Включено» (ON) и «Выключено» (OFF) составляет несколько порядков, что называется эффектом гигантского туннельного электрического сопротивления. По аналогии с функционированием ферроэлектрической памяти (FeRAM), большой коэффициент «OFF/ON» в ферроэлектрических туннельных переходах (FTJ, ferroelectric tunnel junction) ранее рассматривался только как возможность для реализации бинарного хранилища данных. Важным параметром, до сих пор не используемым в FTJ, является его доменная структура. В ферроэлектриках размер домена может составлять всего несколько нанометров. Это обеспечивает очень точное управление пропорцией доменов, направленных вверх и вниз, и свойствами FTJ с использованием переключаемой поляризации.

В своей работе ученые показывают, что конфигурация доменов ферроэлектрического туннельного барьера может контролируемо использоваться для получения практически непрерывного спектра уровней сопротивления между выключенным и включенным состояниями. Исследователи проанализировали процессы переключения с выключенного состояния во включенное, и наоборот, а также разработали их модели в терминах зарождения и распространения доменов. По утверждению авторов, FTJ выступает как новый класс мемристивных систем, для которых уравнения состояний можно выводить из моделей динамики поляризации.

На первом этапе исследования построен график зависимости сопротивления туннельного перехода от амплитуды подаваемых импульсов напряжения (рис 3). Как видно из большой петли гистерезиса, соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состоянии составляет около 300. Меньшие петли показывают, что сопротивление можно точно настроить на одно из множества значений между R_ON и R_OFF.

Рис. 3. Влияние на FTJ изменением амплитуды импульсов

Далее показано, что при включенном состоянии рост амплитуды подаваемых положительных импульсов порождает новые домены с направленной вниз поляризацией вплоть до состояния насыщения (близкое к выключенному состоянию). Прикладывание отрицательных импульсов со всё большей амплитудой приводит к порождению направленных вверх доменов.

Кроме того, сопротивление туннельного перехода зависит не только от амплитуды импульсов, но также и от их продолжительности и количества повторов. Эта зависимость показана на рисунке 4.

Рис. 4. Влияние на FTJ длительностью импульсов

Результаты, зафиксированные на рисунке 5, показывают, что уровень сопротивления FTJ может устанавливаться не только импульсом соответствующей амплитуды, но и также определённой последовательностью импульсов фиксированной величины. Как утверждается, именно эта особенность позволяет говорить о возможности интеграции FTJ в нейроморфные вычислительные архитектуры. FTJ рассматривается в таком случае как база для создания искусственных синапсов.

Рис. 5. Влияние на FTJ последовательностью одинаковых импульсов

Важным достижением исследователей также является построение модели переключения сопротивлений FTJ на основе физических моделей с такими параметрами как напряжение, время, объёмная доля направленных доменов.

Ясное дело, что о каких-либо коммерческих реализациях говорить пока рано. Но тема сама по себе интересная. Отметим, пару месяцев назад в Сети появились сообщения о разработке компанией Intel нейроморфного дизайна процессоров. А промышленные гиганты такого уровня умеют разглядеть перспективность даже тех технологий, внедрение которых возможно только в очень далёком будущем.