Månedlig arkiv:   mai 2014

Supersterk og formbar aluminium
        
19
  19. mai, 2014
        


PhD Candidate Min Zha. Photo: Per Henning/NTNU

 

I mitt ph.d.-prosjekt har jeg tatt i bruk en ny teknologi for framtidig produksjon av metaller med indre struktur på nano-nivå. Jeg har studert to forskjellige typer av aluminium (aluminium inneholdende magnesium og aluminium inneholdende vismut) med denne teknologien.

Målet mitt var å finne en hensiktsmessig prosess for å produsere aluminium med ekstremt høy styrke kombinert med god deformasjonsevne. Slike materialer kan fremstilles ved å manipulere strukturen på atomnivå og samtidig sørge for at kornstrukturen er på nano- eller mikrometernivå.

Mitt prosjekt ble veldig vellykket
1) Jeg var i stand til å designe en prosess der aluminium som inneholder magnesium hadde styrke tilsvarende høyfaste stål. Siden både aluminium og magnesium er veldig lett i vekt, kan den høye styrken åpne opp for innovative produkter i mange sektorer, for eksempel for avanserte komponenter i biler, mobiltelefoner, datamaskiner, fly, undervannskonstruksjoner eller sportsutstyr.

2) For aluminium som inneholder vismut, oppnådde jeg en høy styrke og en optimal fordeling av vismut partikler i aluminiumen. Også her var den rette kombinasjonen av indre struktur på liten skala årsaken til suksess. Jeg mener at dette materialet er en kandidat for nye og bedre produkter som for eksempel bærende komponenter i biler. Siden vismut er mykt, har dette materialet selvsmøringsegenskaper. Dette er viktig for en lang rekke produkter vi omgir oss med i hverdagen.

PhD Candidate Min Zha. Photo: Per Henning/NTNU

 

Populær teknologi
Den anvendte teknologien har navnet ECAP som står for ‘Equal Channel Angular Pressing’. Teknologien har sett økende og verdensomspennende interesse i forskningsmiljøene det siste tiåret. ECAP-teknologien gir mulighet for meget høy deformasjonsevne i materialet samtidig som formen er konstant. Dette gjør prosessen tilgjengelig for videre bearbeiding til avanserte produkter med komplekse former. I forskningsmiljøene anses ECAP- prosessen for å være en av de mest interessante teknologiene for produksjon av metaller med nanostruktur.

 

Hva er en teoretisk fysiker?
        
5
  5. mai, 2014
        


big-bang-nt

 

Takket være den ustoppelige Sheldon Cooper og resten av mannskapet i den populære komiserien «The Big Bang Theory», har verden fått et innblikk i hvordan livet er for unge fysikere – både på og utenfor campus. De løser kompliserte ligninger dag og natt og har alltid flere tavler for hånden i deres leilighet. De bruker sin fritid på å se Firefly med ekstra kommentarer, og sitter oppe hele natten for å kjempe mot orkene i World of Warcraft – ja, The Big Bang Theory-fysikere omfavner virkelig den indre nerden. Men hvor nøyaktig er bildet presentert sammenlignet med hverdagen til en fysiker ved, la oss si NTNU?

Ikke langt fra sanningen
Jeg antar at svaret er avhengig av hvem du spør, men overraskende mye er sant! Nå har for så vidt ikke alle teoretiske fysikere avsatt en del av sin bokhylle til en limited edition Batman beltespenne, men jeg tror det er rimelig å si at de fleste av oss omfavner den indre nerden når det gjelder vår lidenskap for fysikk. En teoretisk fysiker er et nysgjerrig vesen – han eller hun er drevet av et ønske om å utforske, forstå og forklare det ukjente. Tenk deg at du er i stand til å oppdage en ligning som beskriver et fysisk fenomen, og at du er den første som noen gang skriver ned denne ligningen. Dette er hva teoretiske fysikere gjør! De undersøker hemmeligheter i naturen og eksponerer de både i form av et matematisk språk og i form av hvordan man tolker ligningene fysisk.

Trenger sosiale ferdigheter
Noen mennesker tror kanskje at fysikere er sære, vanskelige vesener ute av stand til å samhandle sosialt med ande mennesker. Dette er veldig langt fra sannheten. Å være en fysiker innebærer ofte veldig mye interaksjon med andre forskere, spesielt fra andre deler av verden. Denne oppgaven kommer med ansvar: det er viktig å forstå i det minste de grunnleggende elementene i kulturen til forskeren som du kommuniserer med for å kunne behandle de med respekt og forståelse. Jeg har samarbeidspartnere både i USA og i Japan, og jeg kan forsikre dere om at disse kulturene er svært forskjellige. Dette påvirker måten jeg kommuniserer på og uttrykker meg selv med mine samarbeidspartnere. Å være en teoretisk fysiker lar deg bli kjent med helt ulike deler av verden og lære om hva disse kulturene verdsetter og verner. Interessant nok, lærer du også å kjenne deg selv bedre i denne prosessen.

Nysgjerrig på hvordan verden fungerer
Livet til en teoretisk fysiker er veldig spennende. Du finner deg selv dag etter dag ved grensen av hva vi vet om naturen og hvordan den fungerer, og du er en del av å skyve grensen lenger fram med din forskning. Hvis du er et nysgjerrig menneske som liker matematikk og ønsker å forstå hvordan verden fungerer, kan jeg varmt anbefale å utforske verden til teoretisk fysikk – enten du eier et komplett sett av Star Trek DVD-er eller ikke.

Mer informasjon om teoretisk fysikk ved NTNU

 

Hvordan lage det perfekte batteriet til en elbil?
        
2
  2. mai, 2014
        


Batteries-Carl-Erik-Lie-Foss

 

For å kunne konkurrere med bensinbiler må elbiler ha batterier med lang rekkevidde og lang levetid. Samtidig er det avgjørende at batteriet er trygt i det temperaturintervallet som benyttes. Batterigruppen ved NTNU jobber med å finne den perfekte sammensetningen av et lithium-ionbatteri.

Det er lithium-ion batterier som er de absolutt vanligste i elbiler i dag, selv om det finnes alternativer. Denne batteritypen brukes fordi de både består av lette og forholdsvis billige komponenter (lithium og karbon) og de kan lagre mye energi.

Hot stuff
En utfordring med batterier til bruk i elbiler er at de må kunne fungere ved både høye og lave temperaturer. De termiske egenskapene til batteriet er derfor også viktige. Spesielt den øvre temperaturgrensen er viktig med tanke på sikkerhet. Hvor høyt kan man gå før de indre reaksjonene i batteriet fører til selvanntennelse og brann? Dette er viktig spørsmål å besvare når man vil sette batteriet inn i en bil.
Artikkel: E24 – Bil – Tesla tok fyr

Hva må være på plass?
Vi i batterigruppen ved NTNU har prøvd å identifisere viktige parametere for å produsere gode lithium-ionbatterier som er både termisk stabile og har lang levetid. Et mål har også vært å komme fram til batterier som kan operere ved lavere temperaturer enn det de gjør i dag, slik at de kan levere god kapasitet om vinteren og i kaldere klima.

Hovedkomponentene
De kjemiske sammensetningene av komponentene i batteriet er avgjørende for dets egenskaper. Et lithium-ionbatteri består av to elektroder, en separator som hindrer direkte kontakt mellom elektrodene (som vil føre til kortslutning), og en elektrolytt som har som jobb å «bære» strømmen fra den ene elektroden til den andre, gjennom separatoren.

Ved opplading av batteriet vil lithium-ioner reise fra den ene elektroden (ofte LiMO2, der M typisk kan være kobolt, jern, eller mangan) og inn i den andre elektroden, som vanligvis er av karbon. Kapasiteten til batteriet avgjøres av hvor mange lithium-ioner man får plass til inne i karbonstrukturen per gram karbon. Vi har derfor sett på ulike karbonoverflater og deres lagringskapasitet når det kommer til lithium-ioner.

Kjemiske reaksjoner
Samspillet mellom karbonelektroden og elektrolytten vil også i stor grad påvirke batteriets lagringskapasitet og termiske stabilitet. En kjemisk reaksjon mellom de to elementene gjør at det dannes en film på elektroden. Vi har derfor sett på reaksjonene mellom forskjellige karbonoverflater og elektrolytter. Vi har også studert hvilke temperaturer de kjemiske reaksjonene gir og hvilke faktorer som kan være med på å påvirke dette.

Vi har funnet at overflaten til karbonet i samspill med en spesiell elektrolyttkomponent, ethylenekarbonat (EC), er viktig. Kort fortalt vil et lavt, aktivt overflateareal på karbonet, kombinert med høye nok mengder EC i elektrolytten gi batteriet både god langtidskapasitet og god termisk stabilitet.

Videre arbeid
Utfordringen med å ha ethylenekarbonat (EC) i elektrolytten er at alt for høye mengder av det fører til potensielt høyere motstand i systemet, noe som påvirker kapasiteten negativt. Det kan også gi dårligere egenskaper ved lave temperaturer fordi EC kan størkne ved relativt høye temperaturer og redusere eller stoppe ledningsevnen til elektrolytten.

Dette er noe batterigruppa ved NTNU vil jobbe videre med i fremtiden. En mulig erstatter er allerede lokalisert i propylenekarbonat (PC), som har vist langt bedre egenskaper ved lave temperaturer. PC har selvfølgelig andre utfordringer å ta hensyn til, men det får kanskje komme i et senere blogginnslag.

Nyttige lenker?
How Lithium-ion Batteries Work (Artikkel fra HowStuffWorks)
The Electrochemical Energy Research Group ved NTNU