Istotną rolę w tym procesie odgrywa mikroskopowa struktura materiału, a dokładniej domeny magnetyczne, czyli niewielkie obszary, w których momenty magnetyczne są uporządkowane w określony sposób. W niektórych materiałach przybierają one niezwykle złożone, zygzakowate formy określane mianem domen labiryntowych. Ich zachowanie zmienia się gwałtownie wraz z temperaturą i ma bezpośredni wpływ na poziom strat energii w silniku, jednak przez lata pozostawało trudne do dokładnego opisania.
Czytaj też: Wsadzili mocniejszy silnik do taniej maszyny wojskowej. Efekt zaskoczył Armię USA
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem Masato Kotsugiego z Tokyo University of Science opracował nowy model obliczeniowy, który pozwala rozszyfrować te skomplikowane wzorce. Kluczowym elementem zastosowanej strategii jest wykorzystanie narzędzia, które nie tylko analizuje dane, ale pozwala też zrozumieć mechanizmy stojące za obserwowanymi zjawiskami.
Nowy model, nazwany eX-GL (entropy-feature-eXtended Ginzburg-Landau), łączy zaawansowaną matematykę, analizę topologiczną oraz uczenie maszynowe. W pierwszym etapie wykorzystuje metodę identyfikującą ukryte struktury w danych obrazowych domen magnetycznych. Następnie algorytmy uczenia maszynowego wyodrębniają najważniejsze cechy tych struktur, tworząc cyfrową mapę tzw. krajobrazu energii swobodnej.
Dzięki temu podejściu naukowcy byli w stanie po raz pierwszy szczegółowo prześledzić proces odwracania magnetyzacji w domenach labiryntowych i wskazać cztery kluczowe bariery energetyczne, które determinują to zjawisko. Co istotne, badacze odkryli również, że wraz ze wzrostem długości ścian domen struktura staje się coraz bardziej złożona, co wynika z interakcji pomiędzy entropią a oddziaływaniami wymiennymi w materiale.
Czytaj też: Każdy elektryk może dostać silnik spalinowy. Ten pomysł brzmi jak herezja, ale ma sens
Badanie pozwoliło ilościowo opisać przepływ energii pomiędzy różnymi składnikami układu, takimi jak oddziaływania magnetyczne, efekty demagnetyzacyjne oraz entropia. To właśnie ta złożona gra energii odpowiada za powstawanie strat w silnikach elektrycznych. Jako że wdrożony model opiera się na uniwersalnym pojęciu energii swobodnej, to może zostać zastosowany także w innych dziedzinach fizyki materiałowej, takich jak projektowanie nowych półprzewodników czy rozwój zaawansowanych materiałów dla energetyki. W praktyce oznacza to możliwość projektowania materiałów magnetycznych o znacznie niższych stratach energii, co może przełożyć się na większy zasięg pojazdów elektrycznych, mniejsze zużycie energii oraz bardziej efektywne systemy energetyczne.
Źródło: Eureka Alert, Scientific Reports
