חוקרים משתמשים בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics על מנת לשפר את כיולם של חיישני טמפרטורה

תפקידם של המדחומים בעולמנו התרחב עם השנים ממודדי טמפרטורה שכיחים באוכלוסיה, לעבר שימוש בתהליכים וטכנולוגיות מתוחכמות ברפואה ובתעשיה. כמו כל מכשיר מדידה, הם מוכרחים להיות מכויילים לפי סולם הטמפרטורה הבינלאומי של 1990 (90-ITS).

תהליך הכיול
סולם 90-ITS מבוסס על נקודות קבועות בהן מתכת טהורה משנה את דרגתה ע”י הינמסות או קיפאון. במהלך השינוי הנל, חום נקלט או משתחרר מהמתכת ללא שינוי הטמפרטורה שלה. בנקודה קבועה מד החום בו מתרחש התהליך מראה את רמת הטמפרטורה שיכולה לשמש כהמלצה מעשית.

סולם ה 90-ITS מוכר למשתמשים במדחומי פלטינה התנגדותיים סטנדרטיים. אלו מכשירים מאוד רגישים אשר מסוגלים למדוד טמפרטורות ברמת דיוק של מיקרוקלווין. מכשיר כזה מתכייל ע”י תא בעל טמפרטורה בלתי משתנה שמשמשת לכיול. זהו כלי שגרתי העשוי גרפיט, שהוא למעשה כלי קיבול אליו נכנס המדחום. בתוך הכלי ישנו חומר בעל רמת טיהור גבוהה מאוד, לרוב 99.9999%.
מקור הנביעה המרכזי מאפשר למדחום להיכנס כך שאלמנט הרגש בתחתית שלו שוקע לגמרי בתוך המתכת המשמשת לכיול. בשלב זה כלי הקיבול ממוקם בתוך כבשן על מנת לאפשר הינמסות וקיפאון מבוקרים של המתכת.
למרות המכשיר בעל הביצועים הגבוהים, אי הודאות של טמפרטורה במהלך הכיול עדיין יכולה להיות ברמה של 1 מילקלווין. לטובת הבנה מעמיקה יותר של ההתנהגות המיקרוסקופית, ג’ונתן פירס, ראש המחלקה למדידת חום בספריה הפיזיקלית הלאומית של אנגליה, פנה לתוכנת ®COMSOL Multiphysics.

תחת תנאים מסוימים הממשק הנוזלי-מוצק אינו שטוח כלל. כמו בתהליכי קיפאון, נראים לעין גלים על פני השטח. אלו הופכים לתאים אשר נדחפים כלפי חוץ על ידי הקצוות שלהם והופכים לבעלי טמפרטורה נמוכה בהרבה ביחס לשורשים שלהם.
“המטרה העיקרית שלנו הייתה לבצע סימולציה של התנהגות קיפאון ע”י חקירת ההשפעה של מסגרת כבשן בתהליך, והבנה של מה בדיוק מודד החיישן בו נעשה שימוש. המודל עליו עבדנו בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics העניק לנו אמצעים מעולים להבנת ההשפעה של חום וזרימה בהתפתחות ממשק נוזלי-מוצק”.

דרך סימולציה ניתן לזהות התנהגות ספציפית במערכת אשר קשה לזהות בצורה של ניסוי, ובנוסף הסימולציה תורמת לאי הודאות הכללית של תהליך המדידה. המידע שנאסף דרך הסימולציה ניתן להשתמש בו על מנת לעצב מחדש מכשיר בעל דיוק אולטימטיבי במדידות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

מדידה ישירה של טמפרטורה בהתקנים פלסמונים

עבודת מחקר של בוריס דסיאטוב – דוקטורנט בפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, בהנחיית פרופ. אוריאל לוי

מטרת המחקר היא ללמוד ולחקור יצירה מבוקרת של מקורות חום בסקלה ננומטרית בהתקנים מתכתיים ע”י שימוש באנרגיה אופטית.
בוריס מספר מדוע בחר לעבוד עם תוכנת ®COMSOL Multiphysics בעת הכנת עבודת המחקר שלו, וכיצד התוכנה תרמה לו והייתה לו לעזר רב:

“מצאתי כי השילוב של תוכנת ®COMSOL ביחד עם תוכנת MATLAB מאפשרת ביצוע אופטימיזציה ,עבודה איטרטיבית וביצוע התאמה בזמן אמת בין תוצאות המדידה שמתקבלות בניסוי למודל התיאורטי”.

“לתוכנה יש מאגר פנימי גדול של חומרים עם ניתוחים פיזיקליים מובנים (צפיפות החומר, מקדם שבירה אופטי, מקדם התפשטות החום וכן הלאה)”

“לתוכנת ®COMSOL יש יכולת שילוב בין מודלים פיזיקלים שונים באותה סימולציה. (למעשה בלי היכולת הזאת לא יכולתי לבצע את המחקר הנ”ל). אני לא מכיר תוכנה אחרת שמאפשרת לשלב מודלים שונים ולקבל פתרון לבעיה המשולבת”.

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).
הצטרפו לפייסבוק של נומריקל
אחת השיטות להקטנת הממדים של ההתקנים האופטיים היא שימוש בגלי שטח שנקראים פלסמונים. פלסמונים-פולריטונים משטחיים הם גלים משטחיים המוגבלים לתנועה על הגבול שבין חומר מתכתי וחומר מבודד וניתנים לעירור ע”י קרינה אלקטרומגנטית בעלת קיטוב ניצב לשדה מגנטי. לגלים אלו יש אורך גל קצר יותר מאשר לגלים הנעים בריק וכן תכונות מעניינות נוספות שהובילו להשקעה מחקרית עצומה בתחום זה בעשור האחרון. השימוש בפלסמוני שטח ליישומים של מיקוד הקרינה במבנים ננו-מתכתיים הודגם במספר צורות ע”י עדשה פלסמונית, חרוטים ומחטים מתכתיים.
עם כל היתרונות של הפלסמונים יש גם חיסרון אחד גדול – העיבודים. כאשר אור מבצע אינטראקציה עם המתכת הוא נבלע במתכת וכתוצאה מקבלים הפסדים אוהמים. הפסדים אלה גורמים לחימום מקומי של המתכת ויכולים לשנות את ההתנהגות של ההתקן. החימום הנ”ל מתרחש בסקלה ננומטרית ויכול להיות מאוד שימושי בתהליכים שדורשים חימום מקומי. למשל חברה סיגייט (SEAGATE) פיתחה לאחרונה דיסק קשיח למחשב בעל נפח אחסון מוגדל ע”י שימוש במחממים מקומיים (Heat-assisted magnetic recording).
בפרויקט המחקר שלנו ביצענו חקר נומרי (בעזרת סימולציות מולטיפיזיקליות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics) של התקן פלסמוני ליצירת מקורות חום קטנים על שבב סיליקון. המחקר כלל סימולציות אופטיות למציאת פרמטרים אופטימליים של צימוד והולכה של אנרגיה אופטית בתוך התקן (RF Module). לאחר מכן בוצע חקר של היווצרות והולכה של חום בהתקן (Heat Transfer Module). בנוסף בנינו את ההתקן ומדדנו בצורה ישירה את הטמפרטורה של ההתקן בעזרת שיטה של מדידת טמפרטורה בשדה קרוב. התקבלה התאמה טובה מאוד בין התוצאות של הסימולציות ב- ®COMSOL לתוצאות המדודות.
ההתקן בנוי ממוליך גל מסיליקון בעל חתך 0.25X1 מיקרומטר על מצע זכוכית שמוצמד לטיפ העשוי גם מסיליקון המוקף במתכת (זהב) – ראה איור 1. אנרגיה אופטית באורך גל של 1.55 מיקרון מוצמדת מלייזר חיצוני אל תוך מוליך הגל, מתקדמת בתוך ההתקן אל עבר הקצה של הטיפ ו”נדחסת” (מתרכזת) ע”י המתכת לנק’ מאוד קטנה (50 ננומטר). כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה האופטית הופכת לחום בתוך המתכת ונוצר מקור חום בעל שטח חתך מאוד קטן.

COMSOL Multiphysics® באשכולות מחשבים בפיתוח מערכות קירור ידידותיות לסביבה

המגמה העולמית הפופולארית ביותר בתקופה זו בה אנו חיים, כולם יודעים כמובן, היא נושא איכות הסביבה. בייחוד מדובר על הסביבה הירוקה בהקשר של פליטת גזי חממה ושאר מזהמים כתוצאה מיצירת אנרגיה, ותנועות רבות ברחבי העולם פועלות במטרה לצמצם זאת בתעשיות הגדולות. אחת המשפיעות ביותר בתחום היא תעשיית המזון אשר צריכת האנרגיה בה אדירה, והיא כוללת תובלה של מזון במשאיות, ומהווה 20% מפליטת הגזים בעולם.
משאיות הקירור שמעבירות את המזון פועלות על מנועי דיזל ויחידות קירור, ואלו פולטים גזי חממה המהווים כ- 40% מסך פליטת הגזים של המנוע. לאחרונה נעשתה רגולציה מחמירה בנוגע לצריכת אנרגיה ופליטות גז, מה שמביא ללחץ גדול בתעשיית המזון ובמיוחד על סקטור הובלת המזון, לצמצום פליטות הגזים שמזהמים את הסביבה. הדבר יצריך פיתוח של מערכות קירור אשר נסמכות על טכנולוגיות אנרגיה נקייה ואשר יהיו שונות ביסוד ממערכות הקירור הרגילות שפועלות על מנועי דיזל סטנדרטיים.

חברת Sunwell Technologies Inc. פיתחה יחידות קירור אשר פועלות אך ורק על תרמו-סוללות Deepchill™, מוצר קירור ייחודי שהחברה פיתחה. סוללות אלו ניתנות לטעינה ובנויות לשמור על טמפרטורת יחידת הקירור הרצויה למשך 48 שעות. סוללות ה Deepchill מיוצרות ומאוכסנות במתקנים יעילים מאוד אשר פועלים על חשמל שלאחר שעות השיא, ועקב כך יש להן השפעה מינימלית על הסביבה. לטובת הפחתה נוספת של הפגיעה בסביבה, החשמל יכול להיות מסופק למתקנים אלה בעזרת משאבים מתחדשים

סימולציות חום וזורמים

צוות של חוקרים ב UMass Dartmouth השתמשו ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לספק את התמיכה בסימולציה לחברת Sunwell במאמציה לפתח את טכנולוגיית ה- תרמו-סוללות Deepchill™. סימולציות ממוחשבות יעילות מאוד מבחינת זמן, מחיר ופרקטיות בניסויים מסוג זה, שקשה לבצע אותם בשטח בשל גודלן של מערכות הקירור, ומצריכים עלויות וזמן סיום ארוך, במיוחד בשלבי התכנון הראשונים.

נעשה שימוש בתוכנת ®COMSOL Multiphysics בביצוע סימולציות של מעבר חום ודינמיקת זורמים במערכות הקירור. השימוש ב- ®COMSOL Multiphysics באשכולות המחשבים בעלי הביצועים הגבוהים של UMass Dartmouth איפשר את השימוש במודלים תלת מימדיים מרושתים ברמה גבוהה וכן את זמני הסיום המצוינים, אשר בסופו של דבר יגביר את הדיוק ואת הבנת הממצאים.

המודלים של ®COMSOL Multiphysics אשר נעים בין מודל דו מימדי אקסי-סימטרי למודל תלת מימדי מלא, מנוצלים לטובת חקר קריטריונים ספציפיים בתכנון, כולל מטען החום במערכת, טמפרטורה ממוצעת ומקסימלית של מרחבים מסוימים, ביצועי איזולציה וזרימת חום טבעית, כולם מדידים הן בעזרת אמצעי הבדיקה במודל בזמן תהליך הפתרון, ו/או לאחר מכן באזור הפתרונות.
סימולציות בקנה מידה רחב עם רישותים נוחים, ולכן דרישות זיכרון גבוה, מקושרים לאשכולות המחשבים בעלי הביצועים הגבוהים של UMass Dartmouth, היכן שנמצא פותר הבעיות של ®COMSOL – ה MUMPS. אשכול מיחשוב בביצועים גבוהים טיפוסי מנצל בין 1 ל 3 צמתים עם שמונה ליבות מעבד כל אחד, ומסיים בחצי יום עד שבוע, תלוי במורכבות הפיזיקות, למשל צימוד דינמיקות זרימה ומעבר חום, ואורך זמן הסימולציה, שיכול להימשך עד 48 שעות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL