פיתוח חומרים והתקנים תרמו-אלקטריים ומידול בשיטת האלמנטים הסופיים באמצעות ®COMSOL Multiphysics

עבודת מחקר של הסטודנט עדן חזן במסגרת התואר השני בחוג להנדסת חומרים – אוניברסיטת בן גוריון, בהנחייתו של ד”ר יניב גלבשטיין:

עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:

“במסגרת העבודה פותח צמד תרמואלקטרי אשר מציג ביצועים תרמואלקטריים מהגבוהים שפורסמו בעולם”.

“על מנת להגיע לביצועים שכאלה בוצעה אופטימיזצייה לצמד זה שהתאפשרה אודות למודל שפותח בתוכנת ®Comsol Multiphysics”.

“כל המודלים המפורסמים אינם לוקחים בחשבון את תלות התכונות הפיזיקליות של החומרים בטמפ’, מתייחסים רק לדגמים הומוגניים ואינם לוקחים בחשבון את השפעת הסביבה על הביצועים”.

במודל שפיתחנו ב- ® COMSOL Multiphysicsהצלחנו להתגבר על מגבלות אלה:

1. לראשונה הוצג מודל בו תלות התכונות הפיזיקליות בטמפרטורה נלקחת בחשבון.
2. המודל מסוגל להתמודד עם אלמנטים מדורגים הנקראים בספרות המקצועית FGM-Functionally Graded Materials.
3. ב- ® COMSOL Multiphysicsניתן לפתור בעיות פיזיקליות בתנאי סביבה שונים כמו בידוד תרמי, הסעה מאולצת ועוד.

מקורות חשמל מתחדשים וברי-קיימא הינם נושא למחקר מתמשך בשנים האחרונות, על מנת לצמצם את התלות בדלקי מאובנים (פחם, נפט, גז טבעי), ולטובת שמירה על סביבה טובה יותר. תרמואלקטריות, השיטה בה מומר חום לחשמל בצורה ישירה, מציגה יתרונות מעניינים רבים יחד עם חסרון אחד בולט של יעילות המרה נמוכה, בהשוואה לחלק מהטכנולוגיות המתחרות. שילוב של גנראטורים תרמואלקטריים לטובת ניצול החום המבוזבז שנוצר במפעלים תעשייתיים, מנועים של מכוניות ועוד, והפיכתו לחשמל שימושי, מצריך מאמצים משותפים הן בפיתוח של חומרים תרמואלקטריים חדשים ויעילים, והן בטכניקות סימולציה מתקדמות.

במחקר הנוכחי פותח אלמנט תרמואלקטרי מדורג מתקדם מסוג n המבוסס על המטריצה החומרית (PbSn0.05Te)0.92(PbS)0.08המציגה מנגנון מטלורגי של היפרדות פאזות. לטובת הערכת הפוטנציאל התרמואלקטרי של חומר זה, בשילוב עם החומר שדווח בעברGe0.87Pb0.13Te מסוג p אשר מראה ערכי גורם טיב תרמו-אלקטרי (מדד ליעילות של חומר תרמו-אלקטרי. ערכים מקובלים בספרות הינם 1) יוצאי דופן עם ערך של 2.2, פותח וקיבל תוקף בניסויי מודל תרמו-אלקטרי בשיטת האלמנטים הסופיים, אשר לוקח בחשבון מאפייני חומרים תרמואלקטריים תלויי טמפרטורה, התנגדויות מגע, תרומת חום Thomson וחום Joule עבור כל מאזני החום במודל.

עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
התוצאות חוזות, עבור הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, יעילות תרמואלקטרית מרשימה מאוד של 14%, שזה גבוה ביותר מ- 20% מהערכים הקודמים שדווחו בעבודה תחת משטר טמפרטורה קרה וחמה של 50 ו- 500 מעלות צלסיוס בהתאמה, מה שמעיד על פוטנציאל גבוה יותר מאי פעם לשילוב מעשי ביישומים ממונעים.
מידול בשיטת האלמנטים הסופיים של הביצועים התרמואלקטריים הצפויים של הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, התבסס על תכונות חומרים תלויי טמפרטורה, טמפרטורות חמות וקרות אופייניות של חום שיורי ביישומים ממונעים, ופרמטרים גיאומטריים אופטימאליים של האלמנטים התרמואלקטריים אשר חוברו בגשרי נחושת (תכונות הנחושת נלקחו מתוך ספרי החומרים בתוכנה).
משוואת מעבר החום, ע”י שימוש בממשק פיזיקת מעבר חום בתוכנת ®COMSOL Multiphysics , יושמה לשם חישוב פרופילי התפלגות הטמפרטורה לאורך כל אחד מהסגמנטים של האלמנט המדורג מסוג n והאלמנט ההומוגני מסוג ,p כפי שנראה במשוואה הבאה:

כאשר A שטח החתך, I הזרם החשמלי, α הוא מקדם Seebeck , κ המוליכות התרמית ו-ρ ההתנגדות החשמלית הסגולית של כל אחד מהאלמנטים בצמד.
כדי לפתור משוואה ממעלה שנייה שאינה ליניארית כמו זו, יש לפתח מודל תרמואלקטרי מדויק, ועל כן פנו החוקרים לכלי החישוב העוצמתי והאמין של ®COMSOL Multiphysics.

תנאי הגבול שיושמו עבור הצימוד התרמואלקטרי בסימולציה, רשומים במשוואות הבאות:

כאשר ממדלים אלמנט תרמואלקטרי מדורג, חשוב מאוד לכלול חום PELTIER, שנוצר מההיווצרות של החיבור החדש בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג .n על מנת לקחת בחשבון את תרומתו של אפקט חום זה, המודל הנוכחי כולל אזור ביניים אינפיניטסימאלי בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג n, אשר הוגדר בתוכנה כיצרן חום, כפי שרואים במשוואה הבאה:

משוואות מאזן החום בצד החם ובצד הקר של הצמד התרמו-אלקטרי, ניתנות במשוואות הבאות, בהתאמה:

בשתי המשוואות המתוארות, האיבר הראשון מייצג את חום PELTIER שמתפתח בכל אחד מהצמתים, שני האיברים האמצעיים מייצגים את מעבר החום שעובר בקטעים, והאיבר האחרון מייצג את חום ג’אול שמתפתח לאורך מגעי הנחושת.
תחת תנאים אלו, הספק החשמל הכולל, P , שהתפתח בנגד העומס, RL מתואר במשוואה הבאה:

עבור כל החישובים, אחוז השגיאה נמצא כנמוך מ- 0.1%, דבר המצביע על אמינות ודיוק גבוהים של הפרמטרים המצומדים שחושבו. יתרה מזאת, במטרה להימנע מזמני חישוב ארוכים, המודל נפתר תוך לקיחה בחשבון תנאי גבול שאינם כרוכים בשינוי חום, אף על פי שתוכנת ®COMSOL Multiphysics מאפשרת שינויים אלה.
ערכי ההספק החשמלי המופק והניצולת התרמואלקטרית, של הצמד התרמואלקטרי שנחקר, אשר עברו סימולציה, תוך התחשבות במאפייני החומרים תלויי הטמפרטורה ותרומות המגעים, ביחד וכל אחד לחוד, בהשוואה למודל בסיסי המתחשב בערכים ממוצעים, שהוא הנפוץ ביותר בספרות, מוצגים באיור הבא:

לסיכום, שימוש בתוכנה ®COMSOL Multiphysics יחד עם פיתוח חומרים תרמו אלקטריים משופרים אפשרו לראשונה קבלת ביצועים חשמליים ותרמו אלקטריים מהגבוהים המדווחים בספרות המקצועית יחד עם אמינות ודיוק בערכים שהתקבלו. יחד עם זאת, ממשק התוכנה מאפשר את בחינת הביצועים כתלות בפרמטרים רבים כמו תנאי סביבה, גיאומטריה ועוד.

סימולציה ב- ®COMSOL Multiphysics מסייעת בהערכת התנהגות צינורות פלדה ומציאת פגמים מבחינה אלקטרומגנטית

חברת סלזגיטר מנסמן פורשונג משתמשת בסימולציה על מנת לאמוד את התנהגותם של צינורות פלדה במהלך בדיקה אלקטרומגנטית, ובכדי לשפר את הליך הערכת פגמים חבויים.

כאשר נוצר סדק בצינור פלדה כבד, השאלה המרכזית היא מה רמת הדליפה. בטיחות קודמת לכל, אך גם על הפרק עומדים דדליינים רבים ואלפי יורואים שמושקעים בפרוייקטים. זהו אתגר גדול במיוחד עבור יצרני רכיבים מאוד גדולים, בייחוד אלו הפועלים תחת לחצים גדולים וטמפרטורות גבוהות.
פרוצדורות בדיקת איכות מבוצעות בתהליכי ייצור הפלדה, ואחת משיטות הבדיקה הלא הרסניות הנפוצות ביותר בהן נעשה שימוש הינה פיקוח על דליפת שטף מגנטי, אשר כולל מיגנוט חלק של צינור פלדה. שיטת הפיקוח הנדונה מכילה כלי רתמה בצורת פרסה עם סליל שמלופף על כל קצה. זרם של 3 kHz מופיע לסירוגין בסלילים אשר מחולל שדה מגנטי צר, וכל דליפה בין שני הסלילים נמדדת ומעידה כי חוסר ההמשכיות בחומר יכולה להיות זרימה.

אוליבר נמיץ ותיל שמיט, חוקרים בסלזגיטר מנסמן פורשונג, אשר מפתחת שיטות בדיקה עבור קבוצת סלזגיטר, רואים את פוטנציאל השימוש בסימולציות FEM (שיטת האלמנטים הסופיים) במטרה לקבל תמונה ברורה של מאפייני הזרימה. “מדובר על צינורות שעשויים להיות בקוטר של 500-600 מילימטר, קירות בעובי 50 מילימטר ואורך 12 מטר. מטרת העל הינה לבנות סימולציה ולבדוק כמה השוני בין גיאומטריות זורמים וגדלים משפיע על האות הנמדד, כך שנוכל להעריך נכונה את צורתו וגודלו של הזורם”.

מערכת לפיקוח בעזרת מודל

מודל הסימולציה נוצר בעזרת מודול ה DC/AC של ®COMSOL Multiphysics ומציג מלבן פלדה בגובה 10 מילימטר ורוחב 115 מילימטר. נמיץ ושמיט צפו כי זמני החישוב יהיו ארוכים ולכן הם קודם בנו מודל דו מימדי בו הזרם שעובר בסלילים הוא אנכי למישור הגיאומטרי. הצורה הגיאומטרית והמיקום של הזורם המלאכותי, יכולים לקבל פרמטרים ע”י שרטוט של ®MATLAB.

כיוון שמערכת הדו מימד מסוגלת להתחשב רק בזורמים סימטריים מאוד, השלב הבא היה לבנות מודל תלת מימד. רישות צפוף מאוד שיתחשב באפקט קליפה בגבולות, יביא בסופו של דבר לתוצאות של קרוב ל 20 מיליון דרגות חופש וזמני חישוב ארוכים מאוד. בכדי להתעלם מזה החוקרים השתמשו בסימטריה כדי להקטין את גודלו של המודל ברבע ואז הוסיפו רישות סחף בגבולות. החישוב בוצע עם 4.7 מיליון דרגות חופש, אך על אף התאמה זו היה אפשרי בלבד לחקור חריצים סימטריים.

בשלב זה החליטו החוקרים לפנות לתנאי סף אימפדנסי על מנת לאפשר את אפקט הקליפה. בעזרת זה, נפחו של המוליך לא חייב להיות ממודל. הערכה בלבד עשויה להיות תקפה אם עובי הפלדה הוא יותר מפי ארבע מעומק העור. בהתחשב בכך שהפלדה היא פי 21 עבה יותר מעומק העור, גישה זו תקפה.
רק פני השטח של אובייקט הפלדה היה חייב להיות מרושת והחוקרים הורידו את המודל ל 1.7 מיליון דרגות חופש. זה כלל את כל הגיאומטריה התלת מימדית והיה אפשרי להגדיר חריצים שרירותיים. כדי לתת תוקף למודל, מידע ממידע הסימולציה הושווה עם מידע נמדד מצינורות בדיקה אשר הכילו חריצים בעומקים שונים. התוצאות הראו איכות קורלציה גבוהה של האותות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

טכניקת הפעלה לרובוטים מיניאטוריים פותחה בעזרת סימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics

חוקרים בוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות הופכים מניפולטורים רובוטיים מיניאטוריים לקלים יותר לבניה ולהפעלה. הצוות מקווה להציע אקטואטור זול יותר מזה שנמצא כרגע בשימוש במכשירי ניתוחים. יום אחד, אולי הדבר ייצור מהפכה בשיטות שנראות על שולחן הניתוחים.

ניתוח בעל פולשנות מינימאלית תלוי בכלים קטנים וגמישים בעל הפעלה אמינה וביצועים עקביים. מתקנים רובוטיים נכנסו לחדר הניתוח כאסיסטנטים בתהליכים המצריכים שעות של עמידה בחלק של הניתוח. הבעיה היא שמתקני ניתוח רובוטיים רבים הם יקרים מאוד, מגושמים ומתישים להפעלה. כריסטין רוטינט, חוקרת במעבדת השילוב הטכנולוגי מערכתי של הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, מבקשת למצוא אלטרנטיבה.

שיפור חווית הניתוח דרך הפעלה בשלב-שינוי
מטרתה של רוטינט לספק למנתחים כלים רובוטיים ורסטיליים שיוכלו להרשות לעצמם, אשר יפחיתו את הכאב שגוררים אחריהם ניתוחים ארוכים. על המכשיר להיות אינו יקר, מיניאטורי, מספק כוחות גדולים עם תזוזות רבות באופן יחסי, בעל צריכת חשמל סבירה, ועומד בדרישות הרפואיות. לדוגמא, וולטאז’ים גבוהים אינם בטוחים, ושדות מגנטיים לא יכולים להופיע בסביבת ציוד כמו מכונות MRI.

רוטינט חקרה אקטואטורים מיניאטוריים בשלב-שינוי, שיוצרים תזוזה וכוח מהתפשטות הנפח שמתרחשת כאשר חומר עובר ממצב צבירה מוצק לנוזל. היא חיפשה חומר עם שיעור התפשטות גבוה וטולרנס מאמץ, ושלב שינוי שמתרחש בטמפרטורה שבין טמפרטורת הגוף של המטופל והגבול המותר. רוטינט בחנה מיקרו-אקטואטור שפותח ע”י חברת Goldschmidtboing. המכשיר עובד על פראפין, פחמימן שעוותי אשר מתרחב כ- 10-20 אחוז מנפחו כאשר מתחמם והופך ממוצק לנוזל. הוא שולב עם חלקיקים שחורים כפחם, מה שיצר תערובת מוליכה שתתמוך בחום ג’אול כאשר עובר בה זרם חשמלי.

המיקרו-אקטואטור של Goldschmidtboing מכיל תא שממולא בפראפין מוליך בריכוז שחור כפחם של שני אחוזים, מכוסה בקרום סיליקון ובצ’יפ אטימה ממתכת אשר ייצר זרם, מופרדים ע”י שכבת בידוד חשמלית. התפשטות הפראפין גורמת לקרום הסיליקון לסטות החוצה, מניעה את התנועה של האקטואטור. רוטינט והצוות שלה העריכו את ההתנהגות המכאנית והיבטי השליטה של התערובת באקטואטור המיניאטורי, בעוד שהקולגה שלהם פנאגיוטיס לאזארו בנה מודל חיזוי ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לבצע אופטימיזציה לתכנון. בכדי לסמלץ את התנהגות התערובת במתקן, רוטינט ולאזארו כיילו את המודל שלהם בהתבסס על מחקר המיקרו-אקטואטור של Goldschmidtboing.

חיזוי התנהגות האקטואטור ע”י שימוש בסימולציה מולטיפיזיקלית
הסימולציה של לאזארו כללה פרמטרים גיאומטריים, תרמיים, מכאניים וחשמליים. “COMSOL® איפשרה צימוד ישיר של הפיזיקות המעורבות” הוא מסביר. “זוהי בעיה מולטיפיזיקלית עם מוליכות חשמלית שאינה ליניארית, צפיפות וקיבולת חום ספציפית, וצמיגות משתנה, כל אלו משפיעים על הסטייה”. ®COMSOL איפשרה לו לחקור בדיוק כיצד כל פרמטר משפיע על התזוזה.
“השתמשנו ב- ®COMSOL ככלי חיזוי. אנחנו יכולים בקלות להשתמש בפרמטרים, לשנות את גובה האקטואטור, את עובי הקרום, ואת תערובת השעווה. יותר מכך, מקדם ההתנגדות גובר ככל שהטמפרטורה עולה, כיוון שחלקיקי הפחמן מתפזרים כאשר הפראפין מתפשט”. לאזארו העריך את ההתנהגות הזו ע”י מידול התפלגות המוליכות החשמלית.

הפנים החדשות של הכלים הרובוטיים בניתוחים
לאזארו בנה בהצלחה מודל מולטיפיזיקלי ריאליסטי של אקטואטור בשלב-שינוי, המסמלץ התנהגות מכאנית והיבטי שליטה. הוא משתמש בסימולציה שלו לטובת התכנון והאופטימיזציה של האקטואטור המיניאטורי שמפתחת הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, בכדי לייצר את העומסים הגבוהים וטווח התזוזה שהוא ורוטינט חזו. תהיה לו צריכת חשמל נמוכה, הוא יעמוד בדרישות הרפואיות, והוא יפחית את העלויות והנטל של המנתחים. אב הטיפוס – שאמור להסתיים ב- 2014 – ייבדק ביסודיות בטרם ישולב לתוך כלי ניתוח רובוטי. בקרוב נוכל לראות רובוט ניתוחי זול וקל לתפעול, בחדר הניתוחים.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

גלוקומטר לבדיקת רמות גלוקוז בדם לחולי סכרת פותח בעזרת קומסול מולטיפיזיקס

בדיקה עצמית של רמות גלוקוז בדם היא חיונית לחולי סכרת, אשר באופן קבוע ברחבי העולם מבצעים את הרוטינה של הנחת טיפת דם על סטיק מפלסטיק, והכנסתו לתוך מכשיר שמודד את רמת הגלוקוז, ומכונה גלוקומטר. המכשיר אמנם קטן וצנוע, אך הוא למעשה חיישן מתוכנן היטב. הוא חייב לעמוד במטרות הדיוק של הבדיקה החשובה, להיות קל לשימוש ולייצור, בעלות נמוכה, ולעמוד בסטנדרטים מחמירים של רגולציה רפואית.

חברת LifeScan סקוטלנד בע”מ מקבוצת ג’ונסון&ג’ונסון מתכננת ומייצרת ערכות בדיקת גלוקוז בדם לשוק הגלובאלי, ונחשבת למרכז העולמי למצוינות עבור אלו שעובדים בתחום הסכרת. במשך שלוש שנים חוקרי LifeScan סקוטלנד השתמשו בתוכנת קומסול מולטיפיזיקס על מנת לאפיין תרשימים של חיישנים ביולוגיים חדשים וקיימים.

בעבר, חוקרים ב LifeScan הסתמכו על שיטות אנליטיות בעיצוב המוצר. הם פתרו משוואות דיפרנציאליות חלקיות ע”י פישוט הנחות גיאומטריות, ראגנטים (חומרים המשמשים לריאקציה כימית), ותנאי גבול. מאוחר יותר המודלים התרחבו וכללו זנים כימיים מרובים, אינטראקציות כימיות ואלקטרוכימיה מלאה

למרות שגישה זו של החוקרים הניבה פתרונות שמיצו את רוב המשתנים, זה לא האופטימום במוצרים שחייבים להיות ברמה הכי גבוהה של פיתוח, כיוון שהנחת הנחות מופשטות מתעלמת מאינטראקציות כימיות מפורטות קריטיות.

“מטרתנו היא לפתח סטיקים לבדיקה שיניבו תוצאות במהירות יותר גבוהה, לצמצם עלויות ייצור, ולהגביר את הדיוק כדי לעמוד בדרישות הרגולציה העתידיות”, אומר סטפן מקניטוש, מדען בכיר ב LifeScan סקוטלנד. “גיאומטריות מורכבות ומוחלטות נדרשות על מנת לתאר מערכות כאלה, ובמקרים הנ”ל, מודלים מספריים שימושיים יותר ממבנים אנליטיים”.
המשוואות מתגלות עם הזמן כמורכבות מאוד, ופועלים בהם משתנים רבים של תגובות כימיות שיש לקחת בחשבון בתהליכי הסימולציה. הפיזיקה מסובכת ולרוב משלבת כוחות רבים שיש לבדוק בסימולציה יעילה, וישנן דיפוזיות חומרים (פעפוע: פיזור של חומר במורד מפל ריכוזים) שחייבים להתחשב בהן. האתגר הוא שמקדמי הפיזור משתנים בדרכים עדינות ומורכבות בהתאם למאפיינים הספציפיים של כל דגימת דם.

לכן החוקרים חייבים להתחשב בגורמים כגון ריכוז המוצר, היחסים האופייניים של תגובות אנזימיות סובסטרטיות, צפיפות, ריכוז זנים מחומצנים, וטמפרטורה. דבר כזה הוא בלתי אפשרי לביצוע מדויק, בשיטות האנליטיות הקלאסיות.

תוכנת קומסול מולטיפיזיקס עזרה למקינטוש לפתח מודלים חזקים מאוד לעבודה, ע”י מספר מודולים שהרחיבו את יכולותיה של חברת LifeScan. המודולים בהם משתמשים מקינטוש וצוות הסימולציה והמידול לעיתים קרובות הינם: “מעבר חום” על מנת ללמוד את תפרוסת הטמפרטורה, ו “בטריות&תאי דלק” על מנת לסייע בפיתוח של ריאקציות אלקטרוכימיות מפורטות. מודולים אלה מוצמדים בקלות ליכולות אחרות שיש לקומסול מולטיפיזיקס: “תעבורת זנים מדוללים” על מנת ללמוד על פיזור חומרים המוני, ו”ממשקים PDE”, כדי לחקור תנאי גבול מוגדרי לקוח.
בשל הצלחת העבודה, השימוש בקומסול מולטיפיזיקס מתרחב למעבדת אינברנס, ואדם קרגס, מהנדס אלגוריתם בכיר, מוביל את בניית תשתיות טכנולוגיות המידע הנדרשות. מקינטוש מציין כי קומסול מולטיפיזיקס עזרה באופטימיזציית עלויות נמוכות של מכשיר, מבחינה כימית וגיאומטרית. תפוקות כמו הקורלציה בין ריכוז החומר שאת תכונותיו מודדים במעבדה, לבין הסימן הנוכחי, בפרקי זמן שונים ובמתווים חלופיים, יחד עם שיפועי ריכוז מפורטים אותם התוכנה הפיקה, הגבירו את ההבנה של תכונות האותות וההשפעה של שינויי עיצוב.
מקינטוש מציין כי תוצאות הסימולציה בקומסול מולטיפיזיקס הן בהתאמה טובה מאוד לעבודות הניסוי בהן נעשה שימוש באבי טיפוס ובמערכות קיימות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

בוחרים את התבנית המתאימה לאנטנות החמקן בעזרת ®COMSOL Multiphysics

קבוצת Altran מובילה עולמית בחדשנות והייטק בתחומי חלל ותעופה, כלי רכב ממונעים, אנרגיה, רכבות, ועוד. הקבוצה עובדת על פרויקט שקשור למחקרים אודות בנייתן ומיקומן של אנטנות וחיזוי של שח”מ (שטח חיתוך מכ”ם). אחד הפיתוחים הגדולים ביותר עליה עובדת הקבוצה בתחום זה הינו ספינות ומטוסים חמקנים אשר יודעים להיעלם מהמכ”ם.
באופן כללי הם מסוגלים לעשות זאת ע”י שילוב של מספר טכנולוגיות, כולל צורת שטח הפנים של המטרה, על מנת להחזיר אנרגיה מהמקור, והשימוש בחומרים שסופגים את אותות הרדאר. עם זאת, על מנת שאנטנה של ספינה או מטוס תתפקד כראוי, היא לא יכולה להיות לגמרי מכוסה – דבר שהופך אותה לאחד הרכיבים היחידים שנותרו שהם בעלי שח”מ גדול, מה שיכול למעשה להרוס את חוסר הנראות הכללית של המערכת לרדאר

השח”מ תלוי בקוטביות ובתדר של הגל החשמלי. כאשר נחשול אלקטרומגנטי שולח אות חשמלי למטרה, זרמים חשמליים יוצרים השראה חשמלית במטרה, וקרינה משנית מהמטרה יוצרת גל מפוזר. השדה המפוזר הזה נשלח באופן חלקי ישירות חזרה למקור הגל החשמלי, וזהו העיקרון עליו פועל מכ”ם. שיא הגל החוזר קשור לשבח האנטנה ולשטח הפנים היעיל שלה. כאן ישנו טוויסט אירוני: מתכנני אנטנות בדרך כלל רוצים למקסם את שבח האנטנה, אך על מנת לצמצם את השח”מ הם חייבים לבצע את ההפך, ספציפית להוריד את השבח.
דרך אחת לעקוף בעיה זו היא להשתמש בשטח פנים סלקטיבי של תדר (FSS). הוא מכיל תבנית של חורים או שטחי פנים על מצע, שלמעשה יוצרים גורם מסנן. בטווח התדר הרצוי, האנטנה מתפקדת רגיל. בתדרים אחרים, ה FSS קולט במקום לפזר, קרינה חשמלית. אנטנות לרוב ממוקמות בתוך כיפה המגנה על אנטנות מכ”ם. אם הכיפה עשויה מ FSS כזה, השח”ם שלה מופחת בצורה משמעותית, פרט לתדרים הפעילים.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics הייתה כלי משמעותי ועיקרי במחקרי קבוצת Altran בתחום הזה, כולל בניית גיאומטריות וצורות עבור ה FSS, בחינת העובי, התשתית, השלבים בין כל האלמנטים, קונפיגורציות פיזיקליות ותדרים שיוצרים תהודה, כולם קיבלו מענה מדויק בתוכנת ®COMSOL Multiphysics. ה- FSS מכיל שורה של אובייקטים גיאומטריים, ויכול להיות מאוד גדול מבחינה חשמלית עם שלבים רבים בכל אובייקט, דבר שהופך בניית סימולציה למסורבלת ויקרה במונחי כוח וזמן של מחשב.

למזלה של הקבוצה, ל- ®COMSOL Multiphysics יש פתרון מצוין לבעיה. התוכנה מאפשרת בניית סימולציה של יחידת תא אחת ולכן התהליך צורך הרבה פחות זמן. האפשרות הזו של התוכנה מספקת המשכיות של השדות החשמליים והמגנטיים כך שמתקבלות תוצאות שוות ערך ממש כאילו מבצעים סימולציה על מערך שלם של אובייקטים.

הקבוצה השתמשה ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לחקור את תגובות התדרים במגוון צורות וגדלים, וכיצד הם מופצים על פני השטח. אפשרי גם להכין תרשים מסובך יותר על ידי שימוש בשני מבנים בעלי התנהגויות משלימות. האפשרות לנסות כל מספר של צורות מבליטה מבליטה את יכולותיה של התוכנה בלעזור למשתמשים להיות יעילים יותר במציאת פתרונות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics מסייעת בטיפול MRI יעיל יותר לאיתור גידולים סרטניים

בפרויקט שממש פורץ את הגבולות של מה שנחשב לאפשרי, צוות מטעם ה Cross Cancer Institute בקנדה משלב את האיכות יוצאת הדופן של דימות תהודה מגנטית (MRI) עם עוצמתו של מאיץ החלקיקים הליניארי על מנת לאפשר רדיותרפיה מדויקת להפליא.

אין זו אמת נעימה, אך רדיותרפיה לגילוי סרטן היא טיפול שמלווה בהרבה חוסר ודאות לגבי איתור מדויק של גידולים. מצד שני, סריקת MRI עשויה לסייע בזיהוי טוב של מיקום הגידול, אך היא אינה יכולה לבוא יחד עם רדיותרפיה, כיוון שהאחרונה מלווה במאיץ חלקיקים ליניארי, ושתי הטכניקות מתנגשות. סורקי MRI מוכרחים לקבל אותות עמומים מאוד של גלי רדיו מהמטופל על מנת לייצר תמונה.

מאיץ חלקיקים מייצר כמות גדולה של גלי רדיו, דבר שמפריע לתהליך ה MRI. מאיץ החלקיקים תפקידו לשלוח אלקטרונים למטרה כדי לייצר קרני רנטגן שיהרגו את הסרטן, אך אותם אלקטרונים נחסמים ע”י השדות המגנטיים שמייצר ה MRI. אם שתי המערכות הללו יכלו לעבוד יחדיו, הן היו מייצרות טיפול אידיאלי שיכל לזהות כל גידול במהלך הטיפול. עד לפי כמה שנים הדבר נחשב לבלתי אפשרי, עד אשר צוות מ Cross Cancer Institute באדמונטון, קנדה, הוכיחו כי זה אפשרי מאוד.

אתגר אחר אתגר
פרופסור גינו פלון מאוני’ אלברטה באדמונטון קנדה הקים בשנת 2005 כוח משימה לפתרון הבעיה. מאז הצוות הצליח להפיל מחסומים שעד עתה נחשבו לכאלה שלא ניתן להתגבר עליהם. ב 2008 הצוות בנה אב טיפוס שפועל במלואו ומעוצב לאזור הראש. פלון מציין כי היה עליהם להתחשב בתכונות מערכת ה MRI, מאיץ החלקיקים הליניארי, השילוב האופטימאלי ביניהם, והחדר בו ההתקנה החדשה תתפוס מקום. סימולציה לקחה חלק עיקרי בהתקדמות לעבר שימוש רפואי בעולם האמיתי, רדיותרפיה מוכוונת MRI, והצוות השתמש ב- ®COMSOL Multiphysics.

מגנים על מאיץ החלקיקים הליניארי
“השימוש ב- ®COMSOL Multiphysics איפשר לנו לאמת את טולראנטיות מאיץ החלקיקים כלפי השדה המגנטי, ולצמצם את המגן (שנועד להתמודד עם השדות המגנטיים שמייצר מכשיר ה MRI) לרדיוס של 30 ס”מ ועובי של 6 ס”מ. המגן החדש הוא יותר מפי שלוש קל יותר מהמקורי, הרבה יותר פרקטי מנקודת מבט של תכנון הנדסי. בנוסף המגן החדש הפחית בצורה דרמטית את היעדר ההומוגניות בשדה ה MRI ביותר מפי שלוש, שזה חיוני ליצירת חוסר עיוות בתמונת ה MRI”.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL