Η εκρηκτική ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων έχει εντείνει την αναζήτηση τρόπων για να γίνουν οι ηλεκτροκινητήρες πιο ενεργειακά αποδοτικοί. Μια σημαντική πρόκληση είναι η απώλεια σιδήρου, που ονομάζεται επίσης απώλεια μαγνητικής υστέρησης, η οποία συμβαίνει όταν τα μαγνητικά πεδία μέσα στον κινητήρα αντιστρέφουν επανειλημμένα την κατεύθυνση. Αυτή η διαδικασία διαχέει ενέργεια ως θερμότητα μέσα στον πυρήνα του κινητήρα, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από μαλακό μαγνητικό υλικό. Δεδομένου ότι οι ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν συχνά σε υψηλές θερμοκρασίες, τα θερμικά φαινόμενα μπορούν να μαγνητίσουν εν μέρει αυτά τα εξαρτήματα, περιπλέκοντας περαιτέρω το πρόβλημα απώλειας ισχύος.
Ένας βασικός λόγος πίσω από αυτά τα αποτελέσματα είναι η συμπεριφορά των μαγνητικών περιοχών, που είναι μικροσκοπικές μαγνητικές περιοχές μέσα στο υλικό. Η διάταξη και η δομή αυτών των περιοχών επηρεάζουν έντονα τον τρόπο με τον οποίο τα μαγνητικά υλικά ανταποκρίνονται στη θερμότητα και πόση ενέργεια χάνουν κατά τη λειτουργία.
Complex Magnetic Labyrinth Domain
Μερικά μαλακά μαγνητικά υλικά περιέχουν εξαιρετικά πολύπλοκες μαγνητικές δομές που ονομάζονται τομείς λαβύρινθου, που ονομάζονται για την ζιγκ-ζαγκ, λαβύρινθο εμφάνισή τους. Αυτοί οι δαιδαλώδεις τομείς μπορούν να αλλάξουν απότομα καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται ή πέφτει, επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια διαχέεται στο υλικό. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν δυσκολευτεί να κατανοήσουν πλήρως αυτές τις δομές επειδή εμπλέκονται πολλοί παράγοντες αλληλεπίδρασης, συμπεριλαμβανομένης της μικροσκοπικής δομής του υλικού, των θερμικών επιδράσεων και της ενεργειακής σταθερότητας.
Για να κατανοήσουν καλύτερα αυτή τη συμπεριφορά, οι ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Masato Kotsugi και τον Dr. Ken Masuzawa από το Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης του Τόκιο (TUS) στην Ιαπωνία, μαζί με συνεργάτες από το Πανεπιστήμιο της Tsukuba, το Πανεπιστήμιο Okayama και το Πανεπιστήμιο του Κιότο, εργάστηκαν για να αναπτύξουν ένα νέο μοντέλο που ονομάζεται entropy-feature-extended-extended-exted. Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για να μελετήσει το ενεργειακό τοπίο των δαιδαλωδών περιοχών σε έναν σιδερένιο γρανάτη σπανίων γαιών (RIG).
«Οι παραδοσιακές προσομοιώσεις απλοποιούν υπερβολικά τα πραγματικά υλικά, ενώ τα πειράματα αποκαλύπτουν πολυπλοκότητα χωρίς σαφή τρόπο μέτρησης της αιτίας και του αποτελέσματος», εξηγεί ο καθηγητής Kotsugi. «Το ερμηνεύσιμο πλαίσιο τεχνητής νοημοσύνης μας που βασίζεται στη φυσική αντιμετωπίζει αυτούς τους περιορισμούς και έχει σχεδιαστεί για να εξηγεί μηχανιστικά τη διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης που εξαρτάται από τη θερμοκρασία».
Τα ευρήματά τους δημοσιεύονται στο περιοδικό Επιστημονική έκθεση.
Η τεχνητή νοημοσύνη και η φυσική αποκαλύπτουν κρυμμένη μαγνητική συμπεριφορά
Για να διερευνήσουν πώς η θερμοκρασία επηρεάζει τον απομαγνητισμό σε δαιδαλώδεις περιοχές, οι ερευνητές συνέλαβαν μικροσκοπικές εικόνες μαγνητικών περιοχών σε δείγματα RIG σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτές οι εικόνες στη συνέχεια αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας το μοντέλο eX-GL.
Το πρώτο στάδιο του μοντέλου χρησιμοποιεί επίμονη ομολογία (PH), μια εξελιγμένη μαθηματική μέθοδο που ανιχνεύει τοπολογικά χαρακτηριστικά στα δεδομένα. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να ανιχνεύσει ανομοιόμορφα δομικά χαρακτηριστικά στις εικόνες του μαγνητικού τομέα. Στη συνέχεια, η αναγνώριση προτύπων με βάση τη μηχανική μάθηση χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των πιο σημαντικών χαρακτηριστικών από τα δεδομένα PH, δημιουργώντας ένα ψηφιακό τοπίο ελεύθερης ενέργειας που παρακολουθεί πώς εξελίσσονται οι μαγνητικές μικροδομές με τις ενεργειακές αλλαγές. Τέλος, η μαθηματική ανάλυση συνέδεσε αυτές τις δομές μικροσκοπικού τομέα με μεγαλύτερες διεργασίες αντιστροφής μαγνήτισης.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές εντόπισαν ένα κυρίαρχο χαρακτηριστικό γνωστό ως PC1, το οποίο κατέγραψε με επιτυχία τη διαδικασία της αντιστροφής της μαγνήτισης. Συνδέοντας το PC1 με τις φυσικές ιδιότητες, η ομάδα οραματίστηκε τέσσερα κύρια ενεργειακά εμπόδια που επηρεάζουν έντονα τη δυναμική της αντιστροφής της μαγνήτισης.
Ενεργειακά εμπόδια κρυμμένα μέσα σε μαγνητικά υλικά
Μια λεπτομερής ανάλυση αυτών των φραγμών και των σχετικών μικροδομών αποκάλυψε πώς διαφορετικοί τύποι ενέργειας επηρεάζουν την αντιστροφή της μαγνήτισης. Οι ερευνητές μέτρησαν τη μεταφορά ενέργειας που περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής, απομαγνητιστικά αποτελέσματα και εντροπία.
Ανακάλυψαν επίσης ότι οι λαβυρινθώδεις περιοχές γίνονται πιο περίπλοκες καθώς το μήκος των τοιχωμάτων της περιοχής αυξάνεται. Αυτή η αυξανόμενη πολυπλοκότητα καθοδηγείται από την αλληλεπίδραση μεταξύ εντροπίας και ενέργειας ανταλλαγής. Αυτά τα ευρήματα βοήθησαν να διευκρινιστούν οι φυσικοί μηχανισμοί πίσω από τη συμπεριφορά αντιστροφής λαβύρινθου.
«Η μέθοδός μας eX-GL αυτοματοποιεί αποτελεσματικά την αποσαφήνιση σύνθετων διαδικασιών αντιστροφής μαγνήτισης και επιτρέπει την ανίχνευση κρυφών μηχανισμών, δύσκολων κατανοητών με τη χρήση συμβατικών μεθόδων», δήλωσε ο καθηγητής Kotsugi. «Επιπλέον, δεδομένου ότι η ελεύθερη ενέργεια είναι μια καθολική θερμοδυναμική μέτρηση, το μοντέλο μας μπορεί να επεκταθεί και σε άλλα συστήματα με παρόμοιες ιδιότητες».
Συνολικά, η μελέτη όχι μόνο ρίχνει φως στη μηχανική του τομέα του λαβυρίνθου, αλλά εισάγει επίσης μια ολοκληρωμένη τεχνική για τη διερεύνηση πολύπλοκων ενεργειακών τοπίων σε μαγνητικά συστήματα και άλλα σχετικά φυσικά υλικά.
Αυτή η μελέτη υποστηρίχθηκε από μια Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης (KAKENHI) Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (21H04656). Πρόσθετη υποστήριξη προήλθε από την JST-CREST (Grant No. JPMJCR21O1). Ο C. Mitsumata έλαβε υποστήριξη από το Ερευνητικό Κέντρο Tsukuba για την Επιστήμη των Ενεργειακών Υλικών (TREMS), Πανεπιστήμιο της Tsukuba.
