הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן

תגיות:

החוקר.ת מאחורי המחקר

אנרגיית השמש היא אולי המקור המבטיח ביותר לאנרגיה מתחדשת ונקייה - אנרגיה שנמצאת בכל מקום, בכל יום, ושלא תיגמר לנו לעולם. עם זאת, טכנולוגיות קיימות להמרת אנרגיית השמש לחשמל מצליחות לנצל אחוז קטן בלבד מקרינת השמש המגיעה לכדור הארץ.

ננו-אנטנות: הסוד בדברים הזעירים

"התאים הסולאריים הנפוצים כיום הם תאים פוטו-וולטאיים העשויים מסיליקון. תאים אלה מנצלים רק כ-10% מהאנרגיה של קרינת השמש לטובת ייצור חשמל. קיימים אמנם סוגים אחרים של תאים סולאריים שמנצלים עד 40% מהקרינה, אך הם יקרים הרבה יותר," מסביר פרופ' בוג. "המטרה שלנו היא לייצר אנטנה ננומטרית שתוכל, בזכות צורתה וממדיה הזעירים, לקלוט תחום רחב של אורכי גל כמו קרינת האינפרא־אדום בנוסף לקרינת האור הנראה. כך ניתן עקרונית לנצל עד 85% מקרינת השמש - יותר מפי שניים מהתאים הפוטו־וולטאיים המתקדמים ביותר הקיימים היום. מערך גדול של ננו־אנטנות, שממדיהן כחצי מיקרון על חצי מיקרון כל אחת, יוכל לנצל אנרגיה של קרינה הפוגעת בשטחים נרחבים".

אנטנות שוות זהב

דגמי האנטנות שבונה הצוות מבוססים על מבנים העשויים זהב, אלומיניום, טיטניום או מתכת אחרת, שיוצרו בליטוגרפיית קרני אלקטרונים. שיטה זו, שהיא מדויקת מאוד אך יקרה יחסית, תוחלף בעתיד בשיטה זולה ממנה הדומה לדפוס.

אנרגיית השמש הנקלטת בננו-אנטנות הופכת בתחילה לזרם חילופין, ויש צורך להפוך אותה לזרם ישר, שניתן להעבירו ליעדיו ברשת החשמל. גם למטרה זו נעזרים החוקרים בננו-טכנולוגיה חדשנית: התקן מיישר זרם שמורכב מננו-צינוריות פחמן - מבני פחמן מולקולריים בצורת צינור חלול, המשלבים תכונות של מוליכות חשמלית מעולה עם קשיחות יוצאת דופן. הננו-צינוריות המחוברות לננו-אנטנה נוגעות מצדן האחד בזהב כדי לייצר הולכה חשמלית, ובצדן האחר - בטיטניום כדי לייצר התקן מיישר שישלוט בכיוון הזרם.

כיום מרכזים החוקרים מאמץ ניכר בסוגיה "זעירה" במיוחד: מיקום הננו-צינוריות באופן מדויק במרכזה של ננו-אנטנה מסוג חדש שפיתחו, ואף רשמו עליה פטנט - אנטנת ויואלדי כפולה. לאנטנה זו שני יתרונות מרכזיים: ראשית, היא רחבת סרט, כלומר, מסוגלת לקלוט קרינה בתחומי האינפרא-אדום והאור הנראה בו-זמנית; שנית, היא ניתנת לחיבור טורי במערכים גדולים, כך שהמתחים הזעירים שמתפתחים על כל אנטנה מתחברים למתח כולל גבוה. בנוסף, מחפש הצוות דרכים להגביר עוד יותר את יישור המתח החשמלי שמייצרת האנטנה, על־ידי הקטנת הננו-מרווחים שדרכם עובר הזרם.

שיתוף פעולה בינתחומי

"היתרון של צוות המחקר שלנו הוא בשילוב המוצלח של ננו-טכנולוגיה, אופטיקה ותכנון אנטנות - שילוב בין הנדסה לפיזיקה", אומר פרופ' בוג. "שיתוף הפעולה הבינתחומי מאפשר לנו, מצד אחד, לגלות עקרונות מדעיים ולהוכיח שהם נכונים, ומצד שני להציע פתרונות יעילים לשימוש נרחב בעקרונות אלה. אנחנו לא מסתפקים ביצירת דגם אחד שידגים תופעה פיזיקלית מסוימת - כנהוג במחקר מדעי בסיסי, אלא מתאמצים לייעל את הדגמים ולכוון את הממצאים במעבדה ליישומים טכנולוגיים ממשיים".

בנוסף לייעודן של הננו-אנטנות בתחום אנרגיית השמש, יהיו להן ככל הנראה מגוון שימושים מרתקים נוספים: במערכות לראיית לילה, במערכות הדמיה וגם במערכות אבחון בתחום הביוטכנולוגיה. כמו כן, מכיוון שהננו-אנטנה משנה את תכונותיה בנוכחותה של מולקולה זרה בודדת, היא עשויה לשמש גם כגלאי יעיל לחומרים זרים.

מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>

מחקרים אחרונים

תגיות:

החוקר.ת מאחורי המחקר

פרופ' אברהם [אבי] קריבוס אמריטוס

לעולם בעקבות השמש

האם נוכל בעתיד להפיק חשמל בקנה מידה ארצי באמצעות אנרגיית השמש, ביעילות גבוהה ובמחיר נמוך מאלה של תחנות הכוח הנוכחיות? "אנרגיית השמש היא אנרגיה מתחדשת המצויה בשפע, אך היא תהפוך למשאב שימושי וכלכלי רק אם נצליח לשפר את יעילות ההמרה שלה לחשמל", מסביר פרופ' אברהם קריבוס, מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, העוסק בפיתוח רכיבים לתחנות כוח סולאריות כבר למעלה מ־20 שנה. "יעילות המרת האנרגיה האצורה בדלקים המתכלים שבתחנות הכוח המסורתיות הינה בין 40% ל־60%, בעוד שתחנות הכוח הסולאריות הקיימות כיום מצליחות להניב חשמל ביעילות המרה שאינה עולה על 20%. זו הסיבה העיקרית לכך שעד כה הוקמו רק מעט תחנות כאלה ברחבי העולם".

לדבריו, כל תחנות הכוח התרמיות הקיימות היום, בין אם הן מבוססות על דלק או על אנרגיית השמש, פועלות בצורה דומה: האנרגיה מושקעת בחימום קיטור או אוויר לטמפרטורה של מאות מעלות צלסיוס. האוויר או הקיטור המחומם שואף להתפשט במרחב, וכוח ההתפשטות מנוצל לדחיפת כפות הטורבינה. הטורבינה בתורה מסובבת מחולל, שממיר אנרגיה מכאנית לאנרגיה חשמלית.

מדד ניצולת האנרגיה בתהליך, הקרוי "יעילות ההמרה", הוא היחס בין כמות האנרגיה שהושקעה במקור לבין האנרגיה שהפכה בסוף התהליך לחשמל. יעילות ההמרה גדלה ככל שהקיטור/אוויר מחומם לטמפרטורה גבוהה יותר, ולכן האתגר העומד בפני מפתחי תחנות הכוח הסולאריות הוא להגיע לטמפרטורות זהות לאלה המתאפשרות על־ידי שריפת פחם, נפט וגז - באמצעות אנרגיית השמש בלבד. ואכן, דבר זה מתאפשר כבר היום בעזרת טכנולוגיה חדשנית המכונה "מגדל השמש".

מגדל השמש

טכנולוגיית מגדל השמש מבוססת על מראות, שמרכזות את קרינת השמש למוקד הממוקם בראש מגדל ומשמש לחימום מים או אוויר. יעילות השיטה עשויה להשתוות לזו של תחנות מבוססות דלקים, והיא עולה על כל תחנות הכוח הסולאריות שהוקמו עד היום, המתבססות על חימום קיטור לטמפרטורה נמוכה יחסית.

צוות המחקר של פרופ' קריבוס שוקד על שיפורה של טכנולוגיית מגדל השמש על־ידי שכלול המבנה של הרכיב הנמצא במוקד הקרינה, שתפקידו לקלוט את קרינת השמש ולחמם את האוויר. עיצוב נכון של רכיב זה ימזער את הפסדי האנרגיה ויאפשר את חימום האוויר לטמפרטורה הנדרשת. כדי לייעל את הרכיב, בוחנים החוקרים חומרים ועיצובים שונים במודל ממוחשב. עיצובים נבחרים ייבדקו לאחר מכן במעבדה. האפשרות לחמם אוויר במוקד המגדל לטמפרטורה של יותר מ־1,000 מעלות צלסיוס עשויה להניב חשמל מאור השמש ביעילות המרה של יותר מ־30%.

פיתוחים נוספים של פרופ' קריבוס וצוותו כוללים: שיטה לניצול יעיל בשעות הלילה של חום סולארי שנאגר במהלך היום, וכן טכנולוגיה המשתמשת בפירוק פסולת ממקור אורגני באמצעות חום השמש, כדי לייצר בו־זמנית חשמל ודלקים כגון גז המימן - תהליך שיעילותו מתקרבת ל־50%.

מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>

מחקרים אחרונים

15 אפריל 2015

חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב הצליחו להנדס חומר לא-לינארי חדש, שמאפשר שליטה חסרת תקדים בתדרים של אור. את החומר החדש פיתחו נדב סגל, שי קרן-צור, נטע הנדלר וד"ר טל אלנבוגן מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן. המסטרנט נדב סגל קיבל על המחקר את הפרס על שם משפחת פדר על עבודת מחקר מצטיינת בתחום טכנולוגיות התקשורת, ואילו הדוקטורנט שי קרן-צור קיבל את מלגת המרכז לאנרגיה מתחדשת באוניברסיטת תל-אביב. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Nature Photonics.

אור בתדרים חדשים

"חומרים אופטיים לא-לינאריים", מסביר ד"ר אלנבוגן, "הם חומרים המגיבים לאור באופן שאינו עומד ביחס ישר לשדה האלקטרומגנטי של האור. במילים אחרות, כאשר קרני האור עוברות דרך חומרים אלה, נוצר בהם אור בתדרים חדשים. לכן חומרים אופטיים לא-לינאריים הם הבסיס לטכנולוגיות עתידיות המבוססות על שליטה באור, כגון טכנולוגיות מחשוב אופטי".

מאלקטרוניקה לעיבוד אותות אופטיים

"העולם עובר היום מאלקטרוניקה, כלומר מעיבוד של אותות אלקטרוניים, לעיבוד של אותות אופטיים", אומר ד"ר אלנבוגן. "למשל, כל המידע שעובר עכשיו באינטרנט בסיבים אופטיים מגיע ליחידות קצה אלקטרוניות, ושם עובר עיבוד לאות אלקטרוני. כך גם במחשבים: כל עיבוד של אות הוא עיבוד אלקטרוני. יש אינטרס אדיר לעבור בהרבה מערכות לעיבוד אותות אופטי, כי הוא גם חוסך באנרגיה וגם הרבה יותר מהיר".

כדי לעבור מעיבוד של אותות אלקטרוניים לעיבוד של אותות אופטיים, יש צורך לפתח רכיבים אופטיים אקטיביים בסקלה ננו-מטרית שיוכלו לתפקד כאבני הבסיס לטכנולוגיה החדשה. הרכיבים האלה צריכים להיות מסוגלים לשלוט באור. בזכות ההתקדמות העצומה של הננוטכנולוגיה, אפשר היום ליצור מבנים ננומטריים מחומרים שונים ולנסות למצוא פתרון לאתגר הטכנולוגי הזה.

יצירת חומרים עם תכונות חדשות

"בעזרת ננו-מבנים אלו אנחנו יוצרים חומרים עם תכונות אופטיות חדשות", אומר ד"ר אלנבוגן. "הם נקראים לפעמים מטא-חומרים כי יש להם תכונות שאין לחומרים בטבע. בשנים האחרונות התחילו לייצר גם מטא-חומרים לא-לינאריים הפותחים אפשרויות חדשות לשליטה באור".

"כשאנחנו מדברים על אור", מסביר שי קרן-צור, כל התכונות של חומרים רגילים, וכן של מטא-חומרים, כגון החזרה, בליעה וכו' – כל התכונות הללו עדיין משאירות את תדר האור כמו שהוא. אף תכונה לינארית לא מסוגלת לשנות את התדר". חומרים לא-ליניאריים מאפשרים הכפלה של תדר אור, וכן חיבור תדרים שונים. שני פוטונים שעוברים בחומר לא-לינארי באים באינטראקציה אחד עם השני, כך שניתן לשלוט בפוטון האחד בעזרת הפוטון האחר.

"לאחרונה הדגימו שניתן לייצר מטא-חומרים אופטיים לא-לינאריים שבנויים מננו-אנטנות אופטיות", אומר ד"ר אלנבוגן. "במחקר שלנו הדגמנו שאם מסדרים את הננו-אנטנות בסדר מסוים, אז המטא-חומר מתנהג כמו גביש אור, מה שנותן לנו את האפשרות לשלוט באור שנפלט מהגביש – גם בכיוון שלו וגם בפאזה שלו. זה בעצם לא שונה ממתגים אלקטרוניים, אלא שהם פועלים על אור. לשליטה הזאת באור יש אפליקציות רבות. לכן חברות-ענק כמו IBM ואינטל שופכות היום הרבה מאוד כסף על תחום הננו-פוטוניקה".

אנחנו לא המצאנו את תחום המטא-חומרים הלא-לינאריים", מסביר נדב סגל, "אבל אנחנו הראנו איך אפשר לשלוט באור שיוצא משם - איך יוצרים גביש פוטוני שמאפשר שליטה חסרת תקדים באור".

"אחרי שראינו שהרעיון שלנו עובד בתיאוריה, התחלנו לייצר את החומר עצמו, ממש פה במרכז הננו של אוניברסיטת תל-אביב", אומר שי קרן-צור.

פיתוח החומר החדש ארך שנתיים, ובסופו הינדסו החוקרים דגם של גביש אור לא-לינארי, שמורכב מיחידות בסיסיות של זהב בגודל של 180 על 180 ננו-מטרים. החוקרים מאמינים שבעתיד ישתמשו בחומר החדש על מנת ליצור שלל של מוצרים לתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים, כגון מתגים אופטיים, ממירי תדר של לייזרים ומגברי אור. עתה הם מתכוונים לחקור את מלוא האפשרויות של הרכיב החדש, כמו חיבור וחיסור של תדרים.

ידיעות נוספות בנושא

סמינר מחלקתי

Privacy-Preserving Algorithms for Distributed Constraint Optimization

Prof. Tamir Tassa - Department of Mathematics and Computer Science, The Open University

Abstract:

Distributed Constraint Optimization Problems (DCOPs) provide a powerful framework that can naturally represent many combinatorial problems that are distributed by nature. In such problems there is a set of agents, where each one holds some variables that can take values in corresponding domains. Some combinations of value assignments incur a cost to the agents that hold the corresponding variables. The agents wish to assign values to their variables so that the total cost which that assignment incurs would be minimal. Many algorithms were proposed in the past decade for solving DCOPs, which are NP-hard. However, very few studies so far considered the need to preserve private information when solving those problems. Such private information includes the cost of value assignments, the combinations of assignments that incur costs, the finally selected assignment, or even the identity of the interacting agents. In this talk we present and discuss privacy-preserving variants of two fundamental DCOP algorithms – SyncBB (Synchronous Branch and Bound) and Max-Sum.

Joint work with Tal Grinshpoun and Roie Zivan

ההרצאה תתקיים ביום שלישי 21.4.15, בשעה 14:00 בחדר 206, בנין וולפסון הנדסה, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת תל-אביב.

21 באפריל 2015, 14:00

חדר 206 בניין וולפסון

15.4.15

15 באפריל 2015, 11:15

206 Wolfson

You are invited to attend a lecture

Iris Shtrasler

(MSc. student under the supervision of Dr. Eran Socher)

School of Electrical Engineering, Tel-Aviv University, Tel-Aviv 69978, Israel

RF CMOS Active Metamaterial-Based Wideband 2-D Controllable Array

In the recent years an increasing interest in metamaterials is observed. By constructing artificial materials with a desired electromagnetic response, metamaterials concepts have been used to develop novel microwave devices. Typically, the major concern of using passive metamaterial devices is the dielectric and ohmic losses that eventually limit their overall performance. Moreover there is a problem to control their properties online.

A possible solution to these concerns is active metamaterials, which enable on-chip active metamaterial integration, with loss compensation and controllability functions.

This thesis presents a new approach of chip-integrated active two-dimensional metamaterials based on lumped elements of capacitors and inductors, which utilize on-chip transistors as switches and gain elements to enable wave propagation control and loss compensation.

The first chip is an innovative topology of an active metamaterial array that has been realized in TSMC 65 nm CMOS process. This new approach utilizes semiconductor processing to implement a 2-D metamaterial array, which has one input and three output ports. To demonstrate the control capability, the microwave signal entering the input port can be routed and/or split between the three output ports, so the controllability is achieved by CMOS switches. The mode of operation of the chip is set by DC control signals. The chip is well matched up to 15GHz, and has low loss at low frequencies in excellent agreement with the simulations.

The second chip has similar topology of a 2-D metamaterial array, but has one input and two output ports and a new approach for loss compensation in metamaterials is presented. Some of the unit cells of the metamaterial are embedded with a cross-coupled transistor pair based negative differential resistance circuit to cancel these losses. Design and simulation results for this chip with and without loss compensation are presented. Simulations indicate that loss can be compensated at about 8dB at a narrow frequency range which is limited only by the maximum operating frequency of transistors, which is reaching terahertz in today’s semiconductor technologies.

Wednesday, April 15, 2015, at 11:15

Room 206, Wolfson Engineering building 2^nd floor

16.4.15

16 באפריל 2015, 15:00

011 KITOT

You are invited to attend a lecture

Lior Kornblum

Center for Research on Interface Structures and Phenomena (CRISP) and Dept. of Applied Physics, Yale University, New Haven, CT, USA

On the subject:

When Functional Oxides Meet Semiconductors

Perovskite oxides of transition metals offer scientists and engineers a theme park of new physics, with complex structure-property relations and a wide scope of useful phenomena. Advances in epitaxial growth techniques bring unprecedented possibilities of atomic engineering of these oxides and their interfaces, with exciting prospects of unravelling their underlying physics and harnessing it towards useful applications. However, fundamental material challenges inhibit the introduction of these materials onto semiconductors and thus into the microelectronics technology.

The potential of the oxides’ functionalities to evolve out of the labs and into technology has received a considerable boost with the pioneering of epitaxial growth approaches for perovskites directly on semiconductors. This combination opens a route to bridge between oxide functionalities and microelectronics. Moreover, interface engineering of oxides on semiconductors can lead to new functionalities, made possible by the coupling between the dissimilar materials.

The formation of a 2 dimensional electron gas (2DEG) is a prominent example of an unexpected phenomenon occurring at the interface of two insulating oxides, with complex underlying physics and potential for technological applications. We demonstrate the first integration of high carrier density oxide 2DEGs on silicon, which brings the useful properties of 2DEGs closer to application in microelectronics. In order to put this claim to the test, we assess the performance of 2DEGs on silicon for high-power devices.

Additional functionality can be obtained by coupling of oxides to semiconductors. This concept will be presented with examples for the investigation of electronic transport across the oxide-semiconductor interface and its prospects for photoelectrocatalysis. Another example is the coupling between a monolayer of a non-ferroelectric oxide and silicon, which leads to interface-induced ferroelectric functionality.

With these examples I hope to provide a glimpse into the prospects and promise of combining functional oxides with semiconductors, and address some of challenges lying ahead.

16 April 2015, at 15:00,

Room 011, Kitot Building

13 אפריל 2015

ידיעות נוספות בנושא

ידיעות נוספות בנושא

קוביה 4 הפקולטה שנחאי

קרא עוד אודות קוביה 4 הפקולטה שנחאי

סמינר מחלקתי

12 באפריל 2015, 14:00

אורית אישטיין

תלמידת המחלקה להנדסה ביו רפואית לתואר שני תרצה בנושא:

Walking through the Axoplasmic Jungle, a Cargo’s Perspective

Neurofilaments (NFs) lie parallel to the longitudinal axis of the axon. Their unique structure includes side-arms that protrude from the NF backbone and have a net charge. Due to their charge, side-arms of neighboring filaments form cross-links thereby forming a dense net-like structure that occupies most of the axon cytoplasm. Therefore, the net creates unavoidable obstacles for motor proteins, transporting essential cargos from one end of the axon to another. Since these cargos reach diameters much larger than the spaces within the net, the motor-cargo complex is expected to encounter these obstacles every few steps. Although there is an abundance of data today regarding the motor's mechanism of movement, the local reciprocal effect between the motor-cargo movement and its surrounding environment has not yet been modeled. For this purpose we developed a physical model in which two coping scenarios are proposed: (1) cross-links are modeled as barriers which require the motor to pay an energy penalty in order to break it. (2) The motor can stretch the cross-links which therefore constitute as an additional friction factor. Each option gives a different prediction regarding the different attributes of the motor-cargo movement such as the step size, step time etc.

Another aspect of the reciprocal effect between motor and environment is the question whether motor-cargo movement can cause sufficient drag force as to cause micro-streams in the intracellular fluid as detected in plant cells.

העבודה נעשתה בהנחיית דר' אורי נבו , המחלקה להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת תל-אביב

שיטה חדשה שמפתחים הפרופסורים אמיר בוג, יעל חנין וקובי שויער מהפקולטה להנדסה, עשויה להגדיל את ניצול אנרגיית השמש באמצעות ננו-אנטנות

החוקר.ת מאחורי המחקר

מחקרים אחרונים

החוקר.ת מאחורי המחקר

מחקרים אחרונים

פריצת דרך בתחום הנדסת החומרים: החוקרים הצליחו לשלוט בתדרי אור באמצעות מטא-חומרים לא-לינאריים

ידיעות נוספות בנושא

סמינר מחלקתי

15.4.15

16.4.15

קבוצת סטודנטים מביה"ס להנדסה מכנית המשתתפת בתחרות AIAA DESIGN BUILD FLY בטוסון אריזונה זכתה הלילה במקום ה-4.

ראו מבזקמפוס

ידיעות נוספות בנושא

ברכות חמות לד"ר פבל גינסבורג, אשר זכה במלגת אלון ולנעם אליעז על הבחרו לאקדמיה הצעירה למדעים.

ידיעות נוספות בנושא

קוביה 4 הפקולטה שנחאי

סמינר מחלקתי