This post is also available in:
English (אנגלית)
מערכות חשמל עם הספק גבוה — בין אם בחיישנים מתקדמים, במכונות תעשייה או בפלטפורמות אנרגיה מכוונת — תלויות בקבלים המסוגלים לאגור ולשחרר אנרגיה בפולסים קצרים ועוצמתיים. באופן סטנדרטי, ייצור הסרטים הדיאלקטריים שבתוך קבלים אלו דרש תהליכי חימום ממושכים ורב־שלביים שנמשכים דקות ואף שעות, ובכך מגבילים את היכולת לייצר בקנה מידה גדול ובעלות נמוכה. מחקר חדש של חוקרים מאקדמיית המדעים של סין מצביע על שינוי משמעותי בדרך שבה ניתן לייצר רכיבים אלו.
האתגר המרכזי הוא הפקת סרטים דיאלקטריים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה ויציבות לאורך טווח טמפרטורות נרחב. שיטות ייצור קיימות מאלצות מהנדסים לבחור בין מהירות לאיכות, שכן חימום מהיר מדי מוביל לפגמים מבניים. הפתרון שמציע הצוות הוא תהליך חישול־בזק (flash annealing), המסוגל לחמם ולקרר חומרים בקצב של כ־1,000 מעלות צלזיוס לשנייה, ומאפשר יצירת סרטים גבישיים כמעט מיידית. פעולה שעד כה ארכה עד שעה — מתבצעת כעת בשנייה אחת בלבד, מבלי לפגוע בביצועים.
התהליך מבוסס על השראה אלקטרומגנטית לחימום מהיר במיוחד, ולאחריו קירור מיידי בחנקן נוזלי. המחזור התרמי המהיר "נועל" את מבנה הגביש במצב טמפרטורה גבוהה, המעניק יכולת אגירת אנרגיה טובה יותר. הרכיבים שהופקו השיגו צפיפות אנרגיה של 63.5 ג’ול לסנטימטר מעוקב — ביצועים העולים על אלה של סרטים שיוצרו בשיטות תרמיות סטנדרטיות.
על פי דיווח של Interesting Engineering, מעבר למהירות, הסרטים החדשים הציגו גם עמידות מרשימה. הם נותרו יציבים עד טמפרטורה של 250 מעלות צלזיוס, תוך ירידה של פחות מ־3% בביצועים גם תחת תנודות טמפרטורה קיצוניות. עמידות זו חיונית למערכות הפועלות בסביבות קשות — מרכבים היברידיים ועד ציוד קידוח עמוק וכלי טיס, שבהם נדרשים רכיבים העומדים בעומסי חום ממושכים.
בתחום הביטחון, קבלים עם טעינה מהירה רלוונטיים במיוחד. מכ״מים עתירי הספק, מערכות פולסים אלקטרוניות ונשקי אנרגיה מכוונת דורשים פרצי אנרגיה מהירים ועצמתיים — הרבה מעבר ליכולות של סוללות. סרטים דיאלקטריים יעילים יותר עשויים לאפשר למערכות אלה לפעול באמינות גבוהה יותר, להפחית דרישות קירור ולאפשר שילוב בפלטפורמות קטנות יותר.
החוקרים מדגישים כי השיטה תואמת ייצור בקנה מידה של שבבים (wafer scale) וניתנת להתאמה לחומרים פרו-אלקטריים נוספים. אם ניתן יהיה להרחיבה, הטכניקה עשויה לאפשר קבלים זעירים בעלי צפיפות גבוהה ישירות על גבי שבב — רכיבים שיאפשרו אלקטרוניקה מהירה יותר, מערכות אנרגיה זריזות יותר וארכיטקטורות כוח מתקדמות.
המחקר, שפורסם כאן, מסמן התקדמות בייצור קבלים שעשויה להשפיע על תחומים הנעים מהנדסה תעשייתית ועד ביטחון לאומי.
