新技术实现前所未有的月球测绘精度

新技术实现前所未有的月球测绘精度科学家们开发出了从阴影到形状的增强技术,大大提高了绘制月球表面地图的效率和准确性。这项创新为任务规划人员提供了更详细的地图,特别是对月球南极等具有挑战性的地形。这幅以月球表面的国际天文学联合会(IAU)302号环形山为特色的斜视图是阿波罗10号宇航员于1969年5月拍摄的。图片来源:美国国家航空航天局布朗大学学者本杰明-博特莱特(BenjaminBoatwright)和詹姆斯-海德(JamesHead)的研究成果于5月28日发表在《行星科学杂志》(PlanetaryScienceJournal)上,介绍了一种名为"从阴影到形状"(shape-from-shading)的绘图技术的改进。该技术用于创建月球地形的详细模型,勾勒出环形山、山脊、斜坡和其他地表危险。通过分析光线照射月球不同表面的方式,研究人员可以从二维图像的合成图中估算出物体或表面的三维形状。 加强月球安全与探索精确的地图可以帮助月球任务规划人员确定安全着陆点和科学兴趣区,使任务操作更加顺利和成功。布朗大学地球、环境与行星科学系博士后研究员、新论文的第一作者博特莱特说:"它能帮助我们更好地了解那里到底有什么。"我们需要了解月球表面光照不足的地形,比如月球南极的阴影区,NASA的阿耳特弥斯(Artemis)任务就瞄准了那里。这将使自主着陆软件能够导航并避开可能危及任务的危险,如大石头和巨砾。因此需要尽可能高分辨率的地表地形图模型,因为细节越多越好。"伊纳不规则赤褐色斑块的现有模型(A、C、D)与研究中更详细、更清晰的阴影形状模型(B、E)的对比。资料来源:B.Boatwright,NASA/戈达德太空飞行中心/梅斯研究中心简化绘图过程然而,精确地图的绘制过程是劳动密集型的,在涉及复杂的光照条件、不准确的阴影解释和处理地形变化时有其局限性。布朗大学的研究人员对"从阴影看形状"技术的改进主要集中在解决这些问题上。学者们在研究报告中概述了如何利用先进的计算机算法将大部分过程自动化,并显著提高模型的分辨率。研究人员说,新软件为月球科学家提供了工具,使他们能够以更快的速度绘制出包含更多细节的月球表面大图。 月球绘图的先进技术波特莱特说:"从阴影到形状要求你使用的图像彼此完全对齐,这样一张图像中的特征在另一张图像中的位置就完全相同,这样才能建立起这些信息层,但目前的工具还不能让你随便给它一堆图像,它就能吐出一个完美的产品。我们采用了一种图像对齐算法,它能在一张图像中找出特征,并试图在另一张图像中找到相同的特征,然后将它们对齐,这样你就不必坐在那里手动追踪多张图像中的兴趣点,这需要花费大量的时间和脑力。"研究人员还采用了质量控制算法和额外的过滤器来减少对齐过程中的异常值,这些工具可以确保对齐的图像匹配,并移除对齐效果不佳的图像。通过只选择最终可用的图像,这样可以提高质量,并将精度降低到亚米级分辨率。这样的速度还可以检查更大的表面区域,从而提高这些地图的制作水平。 对比与未来应用研究人员将他们绘制的地图与其他现有地形模型进行比较,寻找月球表面特征的差异或误差,以此评估地图的准确性。他们发现,与传统技术生成的地图相比,利用从阴影到形状的改进方法生成的地图更加精确,能显示月球表面地形更微妙的特征和变化。在这项研究中,研究人员主要使用了月球轨道激光高度计和月球勘测轨道相机的数据,这些数据来自美国宇航局月球勘测轨道器上的仪器。科学家们计划使用他们改进的"从阴影到形状"软件(shape-from-shading)制作月球地图,并希望其他人也能在建模工作中使用该软件。这也是他们使用开源算法制作该工具的原因。 对月球探测的影响曾参与阿波罗计划的布朗大学地质科学教授海德说:"这些新的地图产品大大优于我们在阿波罗任务期间的探索规划,它们将极大地改进阿耳特弥斯和机器人任务的任务规划和科学回报。"研究人员希望这一新工具能够提高美国国家航空航天局(NASA)和世界各地航天机构目前对月球科学和探索的兴趣。博特莱特说:"让所有人都能使用这类工具,可以获得大量信息。这是一种平等的科学方式"。编译自/scitechdaily...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433193.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1433193.htm

相关推荐

封面图片

韦伯太空望远镜带来前所未有的观察木星卫星的视角

韦伯太空望远镜带来前所未有的观察木星卫星的视角詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)凭借其灵敏的红外摄像机和高分辨率光谱仪,揭示了木星伽利略卫星的新秘密,尤其是最大的卫星木卫三和火山最活跃的木卫一。在两份不同的出版物中,参与JWST早期释放科学计划的天文学家们报告说,他们首次在木卫三上探测到了过氧化氢,在木卫二上探测到了硫磺烟雾,这都是木星影响的结果。加州大学伯克利分校天文学和地球与行星科学名誉教授伊姆克-德-帕特(ImkedePater)说:"这表明,我们可以用詹姆斯-韦伯太空望远镜对太阳系天体进行令人难以置信的科学研究,即使天体真的非常明亮,比如木星,但当你观察木星旁边非常暗淡的东西时也是如此。"德-帕特和巴黎天文台的蒂埃里-富歇(ThierryFouchet)是"早期发布科学"太阳系观测团队的联合首席研究员,该团队是13个获得早期使用该望远镜机会的团队之一。通过JWST测量得出的木卫三光谱图显示了两极周围过氧化氢分子的光吸收特征。圆圈勾勒出月球的表面。资料来源:SamanthaTrumbo,康奈尔大学康奈尔大学51Pegasib博士后研究员萨曼莎-特伦博(SamanthaTrumbo)领导了对木卫三的研究,研究报告于7月21日发表在《科学进展》(ScienceAdvances)杂志上。利用JWST上的近红外光谱仪(NIRSpec)捕捉到的测量数据,研究小组探测到了月球南北两极周围的过氧化氢(H2O2)对光的吸收,这是木星和木卫三周围的带电粒子撞击覆盖在月球上的冰层的结果。特鲁姆博说:"JWST揭示了木卫三两极存在过氧化氢,这首次表明沿着木卫三磁场漏斗状分布的带电粒子正在优先改变木卫三极冠的表面化学成分。"天文学家们认为,过氧化物是由带电粒子撞击两极周围的冰冻水冰并将水分子分解成碎片而产生的--这一过程被称为辐射分解--然后水分子重新结合形成H2O2。他们怀疑辐射分解主要发生在木卫三的两极,因为木卫三与太阳系中的其他卫星不同,它有一个磁场,可以将带电粒子引向两极。木卫三(左)和木卫一(右)的特写照片,前者由美国宇航局的朱诺号太空船于2021年拍摄,后者由美国宇航局的伽利略号太空船于1997年拍摄。资料来源:NASA/JPL/USGS她补充说:"就像地球磁场将带电粒子从太阳引向最高纬度,从而导致极光一样,木卫二的磁场对来自木星磁层的带电粒子也起着同样的作用。这些粒子不仅会在木卫三产生极光,还会对冰表面产生影响。"特伦博和加州理工学院行星天文学教授迈克尔-布朗(特伦博最近在该校获得了博士学位)早些时候研究了木卫二上的过氧化氢,木卫二是木星四颗伽利略卫星中的另一颗。然而,在木卫二的大部分表面都能检测到过氧化氢,部分原因可能是木卫二没有磁场来保护表面不受木星周围快速移动的粒子的影响。特伦博说:"这可能是一个非常重要和广泛的过程。对木卫三的这些观测为了解这种水的辐射分解可能如何推动整个外太阳系冰体的化学反应提供了一个关键窗口,包括邻近的木卫二和卡利斯托(第四颗伽利略卫星)"。德-帕特说:"这有助于真正理解这种所谓的辐射分解是如何起作用的,而且它确实如人们根据地球上的实验室实验所预期的那样起作用。"JWST对木卫一的红外图像显示了卡内赫基利波动(KanehekiliFluctus)(中)和洛基帕特拉(LokiPatera)(右)的热火山喷发。圆圈勾勒出月球表面。资料来源:ImkedePater,加州大学伯克利分校在第二篇已被美国地球物理联盟刊物《JGR:行星》接受发表的论文中,dePater和她的同事们报告了新的Webb对木卫一的观测结果,其中显示了几次正在进行的喷发,包括一个名为LokiPatera的火山群的增亮,以及KanehekiliFluctus的异常明亮的喷发。由于木卫一是太阳系中唯一一颗火山活跃的卫星--木星的引力推力和拉力使其升温--类似的研究为行星科学家提供了一个与研究地球火山不同的视角。韦伯将在8月份用近红外望远镜再次观测木卫二。即将进行的观测和之前于2022年11月15日进行的观测都是在木卫一处于木星阴影中时进行的,因此木星反射的光不会遮盖木卫一发出的光。德-帕特还指出,洛基帕泰拉火山的变亮与观测到的火山喷发期一致,平均每500个地球日就会变亮一次,持续时间为几个月。她之所以这样判断,是因为她在2022年8月和9月用凯克望远镜观测月球时,月球并不明亮,而另一位天文学家在2022年4月至7月观测月球时,月球也不明亮。只有JWST捕捉到了这一事件。她说:"韦伯望远镜的观测结果表明,实际上喷发已经开始,它比我们在9月份看到的要亮得多。"虽然德帕特主要关注的是木卫三系统--它的星环、小卫星以及较大的卫星木卫三和木卫四--但她和由大约80名天文学家组成的早期科学团队的其他成员也在利用JWST研究土星、天王星和海王星的行星系统。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376783.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1376783.htm

封面图片

[视频]SWOT任务:用卫星视角观看前所未有的全球海平面视图

[视频]SWOT任务:用卫星视角观看前所未有的全球海平面视图地表水和海洋地形学卫星(SWOT)旨在对地球表面的水体进行首次全球调查,该卫星正在收集地球上水体随时间变化的详细测量数据。图片来源:NASA/JPL-CaltechSWOT正在测量地球表面几乎所有水域的高度,提供迄今为止最详细、最全面的地球海洋和淡水湖泊及河流的视图。该卫星由美国国家航空航天局(NASA)和法国国家空间研究中心(CNES)合作研制。下面的动画显示了世界各地的海面高度异常:红色和橙色表示海洋高度高于全球平均海面高度,蓝色表示海面高度低于平均值。海平面差异可以突出显示洋流,如美国东海岸的湾流或日本东海岸的黑潮。海面高度还能显示海水相对较暖的区域--比如厄尔尼诺现象期间的赤道太平洋东部--因为海水在变暖时会膨胀。这幅动画展示了地表水和海洋地形卫星从7月26日至8月16日收集到的全球海平面数据。红色和橙色表示海平面高于平均水平,蓝色表示海平面低于平均水平。资料来源:NASA/JPL-CaltechSWOT科学团队使用开创性的Ka波段雷达干涉仪(KaRIn)进行了测量。KaRIn在吊杆上安装了两根相距33英尺(10米)的天线,当它绕地球一周时,会产生一对数据扫描带(动画中可见的轨迹),从水面上反弹雷达脉冲,收集水面高度测量值。位于南加州的美国国家航空航天局喷气推进实验室的SWOT项目经理ParagVaze说:"SWOT传回的全球海平面细节令人难以置信。这些数据将推动对气候变化影响的研究,帮助世界各地的社区更好地为气候变暖做好准备。"这幅插图显示了在轨的地表水和海洋地形(SWOT)卫星,其太阳能电池板和KaRIn仪器天线已经展开。资料来源:法国国家空间研究中心SWOT于2022年12月16日从加利福尼亚州中部的范登堡空军基地发射升空,目前正处于运行阶段,收集的数据将用于研究和其他目的。SWOT由美国国家航空航天局和法国国家空间研究中心联合开发,加拿大航天局和英国航天局也提供了支持。位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院为美国国家航空航天局管理的喷气推进实验室(JPL)负责该项目的美国部分。在飞行系统有效载荷方面,美国国家航空航天局(NASA)提供了KaRIn仪器、GPS科学接收器、激光反向反射器、双波束微波辐射计和NASA仪器操作。法国国家空间研究中心提供了多普勒轨道成像和卫星辐射定位集成系统、双频波塞冬测高仪(由泰雷兹阿莱尼亚航天公司开发)、KaRIn射频子系统(与泰雷兹阿莱尼亚航天公司合作,并得到英国航天局的支持)、卫星平台和地面操作。加空局提供了KaRIn高功率发射机组件。美国航天局提供了运载火箭,该局设在肯尼迪航天中心的发射服务计划负责管理相关的发射服务。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394095.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1394095.htm

封面图片

科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性

科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性要掌握这种复杂程度的信息极具挑战性,因此我们必须采用先进的技术,在微观层面上解码大脑内部发生的微小而复杂的相互作用。因此,成像技术成为神经科学领域的关键工具。约翰-丹泽尔(JohannDanzl)在国际科学与技术协会(ISTA)的研究小组开发的新型成像和虚拟重建技术是大脑活动成像技术的一大飞跃,并被恰当地命名为LIONESS-即实时信息优化纳米镜成像技术(LiveInformationOptimizedNanoscopyEnablingSaturatedSegmentation)。LIONESS是一个用于成像、重建和分析活体脑组织的管道,其全面性和空间分辨率是迄今为止无法实现的。a:复杂的神经元环境b:LIONESS可以对样本进行成像和重建,从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源:JohannDanzl"有了LIONESS,我们第一次有可能对活脑组织进行全面、密集的重建。通过对组织进行多次成像,LIONESS让我们能够观察和测量大脑中的动态细胞生物学过程,"第一作者PhilippVelicky说。"输出结果是细胞排列的三维重建图像,时间是第四维,因为样本可以在几分钟、几小时或几天内成像。"LIONESS的优势在于精良的光学技术和构成其核心的两级深度学习(一种人工智能方法):第一级提高图像质量,第二级识别密集神经元环境中的不同细胞结构。该管道是丹泽尔小组、比克尔小组、乔纳斯小组、诺瓦里诺小组、ISTA科学服务单位以及其他国际合作者的合作成果。"ISTA的约翰-丹兹尔(JohannDanzl)说:"我们的方法是组建一个充满活力的科学家小组,他们拥有独特的跨学科综合专长,共同致力于填补脑组织分析领域的技术空白。重建活体脑组织的管道。通过优化的激光聚焦采集显微镜图像--图像处理(DL)--分割(DL)--三维视觉分析。图片来源:JohannDanzl跨越障碍以前可以通过电子显微镜重建脑组织。这种方法根据样本与电子的相互作用对样本进行成像。尽管电子显微镜能捕捉几纳米(百万分之一毫米)分辨率的图像,但它要求样本固定在一种生物状态,需要对样本进行物理切片才能获得三维信息。因此,无法获得动态信息。另一种以前已知的技术是光学显微镜,它可以通过"光学"而不是物理切片来观察活体系统和记录完整的组织体积。然而,由于光波产生图像的特性,光显微镜的分辨率受到严重影响。其最佳分辨率为几百纳米,过于粗糙,无法捕捉脑组织中重要的细胞细节。利用超分辨率光学显微镜,科学家们可以打破这一分辨率障碍。这一领域的最新研究成果被称为"超分辨率阴影成像"(SUSHI,Super-resolutionShadowImaging),它表明,在细胞周围的空间中涂抹染料分子,并应用获得诺贝尔奖的超分辨率技术STED(受激辐射损耗)显微镜,就能显示出所有细胞结构的超分辨率"阴影",从而将它们在组织中可视化。LIONESS可以对样本进行成像和重建,从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源:朱莉娅-柳奇克(JuliaLyudchikISTA)尽管如此,要想通过提高分辨率来对整个体积的脑组织进行成像,从而与脑组织复杂的三维结构相匹配,这一直是不可能的。这是因为在提高分辨率的同时,还需要对样本进行高负荷的成像光照,这可能会损坏或"损坏"微妙的活体组织。这就是LIONESS的优势所在,根据作者的说法,LIONESS是在"快速、温和"的成像条件下开发的,因此能保持样本的活力。该技术在提供各向同性超分辨率的同时--即在所有三个空间维度上都同样出色--还能以三维纳米级分辨率的细节观察组织的细胞成分。在成像步骤中,LIONESS从样本中收集的信息越少越好。随后进行第一个深度学习步骤,在称为"图像复原"的过程中填充有关脑组织结构的额外信息。通过这种创新方式,它可以实现约130纳米的分辨率,同时又足够温和,可以对活脑组织进行实时成像。这些步骤共同实现了深度学习的第二步,这一次是让极其复杂的成像数据变得有意义,并以自动化的方式识别神经元结构。ISTA科学家约翰-丹兹尔(JohannDanzl)在奥地利科技研究所的实验室中。图片来源:NadinePoncioniISTA定位Danzl说:"跨学科的方法使我们能够打破解析力和活体系统光照的相互交织限制,使复杂的三维数据变得有意义,并将组织的细胞结构与分子和功能测量结合起来。"在虚拟重建方面,Danzl和Velicky与视觉计算专家合作:ISTA的Bickel小组和哈佛大学HanspeterPfister领导的小组,他们在自动分割(自动识别组织中的细胞结构的过程)和可视化方面贡献了自己的专业知识,ISTA的图像分析科学家ChristophSommer也提供了进一步的支持。在复杂的标记策略方面,来自爱丁堡、柏林和国际科学与技术机构的神经科学家和化学家也做出了贡献。因此,在同一活体神经元回路中进行功能测量(即读出细胞结构和生物信号活动)成为可能。这项工作是通过与ISTA的Jonas小组合作,对进入细胞的钙离子通量进行成像并测量细胞电活动来完成的。小组提供了人脑有机体,这种有机体通常被昵称为迷你大脑,可以模拟人脑的发育过程。作者强调,所有这一切都得益于ISTA顶尖科学服务部门的专业支持。大脑的结构和活动是高度动态的;其结构随着大脑执行和学习新任务而不断演变。大脑的这一特性通常被称为"可塑性"。因此,观察大脑组织结构的变化对于揭开其可塑性背后的秘密至关重要。国际科学与技术协会开发的新工具通过揭示亚细胞结构并捕捉这些结构如何随时间发生变化,显示出了解脑组织以及其他潜在器官功能结构的潜力。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382361.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1382361.htm

封面图片

CEERS项目允许人们以前所未有的方式观看韦伯的最耀眼照片

CEERS项目允许人们以前所未有的方式观看韦伯的最耀眼照片据BGR报道,本月早些时候,詹姆斯·韦伯太空望远镜团队发布了一些迄今为止最耀眼的照片。不仅如此,美国宇航局(NASA)还分享了韦伯迄今为止拍摄的最大图像。这张图片被分解成四个板块,是韦伯放大的星系和天体的拼接图。更令人震惊的是,詹姆斯·韦伯和宇宙演化早期发布科学调查(CEERS)项目团队终于给人们提供了一个自己放大图像的方法。这张图片是詹姆斯·韦伯的CEERS研究的一部分,在12月底之前仍有6张图片需要拍摄。这张图片大约是詹姆斯·韦伯在7月12日分享的最初的深场图片的八倍,它的四个板块内包括了一些惊人的星系。根据EarthSky.org的报道,这些图像是詹姆斯·韦伯望远镜的NIRCam在整个2022年计划拍摄的10张图像中的4张。这些最新的詹姆斯·韦伯为CEERS拍摄的图像是围绕着北斗七星的斗柄周围的一片天空。图像中可以看到多个星系和其他天体,但其中最引人注目的包括一个红移为z=0.16的螺旋星系。也有很多蓝色的、形成星系的星系团。这些詹姆斯-韦伯CEERS图像的重要之处在于人们可以放大。如果你前往CEERS网站,你可以调出一个詹姆斯·韦伯CEERS调查的可放大版本。如果你下载高分辨率的版本,你可以大幅放大。这将使你更清楚地看到詹姆斯·韦伯能够捕捉到的细节。詹姆斯·韦伯已经捕获了一组非常独特的图像。拍摄这些大量的、详细的照片是詹姆斯·韦伯望远镜如此与众不同的部分原因。此外,由于太空望远镜利用红外光信号,它还可以探测到系外行星上的二氧化碳。詹姆斯-韦伯和CEERS项目将共同揭开关于我们宇宙的一些惊人信息。PC版:https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309295.htm手机版:https://m.cnbeta.com/view/1309295.htm

封面图片

在月球上行驶:NASA正追寻下一代月球地形车

在月球上行驶:NASA正追寻下一代月球地形车美国宇航局将与LTV签订合同,作为工业界的一项服务,而不是拥有该漫游车。从工业伙伴那里承包服务使NASA能够利用商业创新,为美国纳税人提供最佳价值,同时实现其载人航天的科学和探索目标。位于休斯顿约翰逊航天中心的美国宇航局舱外活动和人类地面移动项目经理LaraKearney说:"我们希望利用工业界的知识和创新,结合美国宇航局成功运营漫游车的历史,为我们的宇航员和科学研究人员制造出尽可能好的地面漫游车。"LTV的功能就像阿波罗式月球车和火星式无人驾驶月球车之间的融合。它将支持由宇航员驱动,同时又可以作为一个无人员的移动科学探索平台,类似于NASA的好奇号和毅力号火星车。这将使科学的持续执行成为可能,即使乘员不在月球表面上。阿特米斯号宇航员将利用月球地形车穿越月球表面并运输科学设备,延长他们每次月球行走的距离。美国宇航局宇航员跪在月球表面的新月球地形车(LTV)前。资料来源:美国国家航空航天局根据月球地形车服务招标书,美国宇航局为有兴趣开发和演示LTV的公司提供了要求,包括一种鼓励公司生产创新的漫游车供美国宇航局和其他商业客户使用多年的方法。工程师将能够远程操作LTV,在载人着陆点之间运输货物和科学载荷,从而实现额外的科学回报、资源勘探和月球探索。这将在无人操作期间扩大月球上的科学研究机会,使科学家能够调查未来的表面任务地点,并为每个地点的研究目标和目的提供信息。为了处理月球南极附近的独特环境,包括永久的阴影区域和长时间的无阳光照射,LTV将需要纳入几个系统来支持载人和不载人的操作。其中一些更关键的系统包括先进的电源管理、半自动驾驶、最先进的通信和导航系统,以及对极端环境的保护。作为建议的一部分,要求各公司提供端到端的服务,从开发和运送到月球表面,到执行操作。每辆漫游车必须能够携带两名合适的宇航员,容纳一个机械臂或机制来支持科学探索,并在月球南极的极端温度下生存。该公司将被要求在载人使用之前,在月球环境中成功演示LTV。美国宇航局打算从2029年的阿特米斯五号开始使用LTV进行载人作业。在乘员到达之前,一旦登陆月球表面,漫游车将被用于无人驾驶和商业活动。LTV服务合同的投标书应于2023年7月10日提交,合同的授予时间为2023年11月。这份招标书纳入了业界通过招标书草案和之前的信息征询所获得的反馈。通过Artemis,美国宇航局将派遣宇航员--包括第一位女性和第一位有色人种--探索月球,以获得科学发现和经济利益,并为载人火星任务打下基础。美国宇航局的太空发射系统火箭、猎户座飞船、盖特威月球轨道前哨、先进的宇航服和漫游车以及人类登陆系统共同构成了该机构进行深空探索的基础。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362211.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1362211.htm

封面图片

X射线计算机视觉揭示前所未有的锂电池物理和化学细节

X射线计算机视觉揭示前所未有的锂电池物理和化学细节来自SLAC、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究小组利用机器学习重新分析了电池循环过程中锂离子进出电池电极纳米粒子(左)的X射线图像。图像中的假色显示了每个粒子的电荷状态,并揭示了单个粒子内部的变化过程是多么不均匀。图片来源:Cube3D9月13日,来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究人员在《自然》杂志上报告说,这种新方法已经提出了一种方法,可以使一种锂离子电池电极中的数十亿纳米粒子更有效地储存和释放电荷。斯坦福大学副教授、SLAC院系科学家兼SLAC-斯坦福电池中心主任WilliamChueh说:"现在能制作出电池纳米粒子工作时的精美X射线影片,但这些影片信息量太大,要了解粒子如何发挥作用的微妙细节确实是个挑战,"他与麻省理工学院教授MartinBazant共同领导了这项研究。"Chueh说:"现在我们可以获得以前不可能获得的见解。我们的行业合作伙伴需要这种以科学为基础的基本信息,以便更快地开发出更好的电池。"研究人员说,从更广泛的意义上讲,这种发现图像中复杂图案背后的物理学原理的方法甚至可以为其他类型的化学和生物系统(如发育中胚胎的细胞分裂)提供前所未有的洞察力。透视电池泄露秘密研究小组所研究的电池微粒由磷酸铁锂或LFP制成。它们以数十亿计地装入许多锂离子电池的正极,每个正极都涂有一层薄薄的碳,以提高电极的导电性。为了观察电池工作时内部发生的情况,Chueh的团队制造了微型透明电池,其中两个电极被充满自由移动锂离子的电解质溶液包围。当电池放电时,锂离子流入正极的锂离子电池电极,并像拥挤的停车场中的汽车一样停在其纳米颗粒中,这种反应被称为插层。当电池充电时,锂离子会再次流出,到达相反的负极。来自SLAC、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究小组利用机器学习技术,逐像素重新分析了像这样的X射线影片,发现了电池循环的新物理和化学细节。这段动画基于该团队在2016年制作的X射线图像。它展示了锂离子电池电极中数十亿个纳米粒子中的一些粒子在锂离子流入和流出时的充电(红到绿)和放电(绿到红)过程,并揭示了单个粒子内部的过程是多么不均匀。资料来源:SLAC国家加速器实验室丰田研究所能源与材料高级主管布莱恩-斯托里(BrianStorey)说:"磷酸铁锂是一种重要的电池材料,因为它成本低、安全性能好,而且使用丰富的元素。我们看到LFP在电动汽车市场的应用越来越广泛,因此这项研究的时机再好不过了。"合作历史和先前的工作Chueh和Bazant八年前开始合作进行电池研究。Bazant已经对锂离子进出LFP粒子时形成的图案进行了大量的数学建模。Chueh一直在使用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的先进X射线显微镜,拍摄电池颗粒工作时的纳米级电影,细节可小至十亿分之一米。2016年,他们的研究团队发表了突破性的纳米级影片,展示了锂离子如何进出单个LFP纳米粒子。随后,在丰田研究院的资助下,该团队开始使用麻省理工学院开发的机器学习工具,大大加快了电池测试和筛选众多可能的充电方法以找到最有效方法的过程。他们还将在数据中寻找模式的传统机器学习与从实验中获得的知识和物理学指导下的方程式相结合,发现并解释了缩短快速充电锂离子电池寿命的过程。逐像素分析在这项最新研究中,Chueh和Bazant使用了机器学习的一个子领域--计算机视觉,从他们在2016年拍摄的62张关于锂离子电池颗粒充电或放电的纳米级X射线影片中挖掘出了更多详细信息。这些影片中的每张静止图像都包含大约490个像素--这是可以从图像中获取的最小信息单位,无论是用X射线照射探测器还是用可见光照射智能手机摄像头拍摄的图像。这就为他们提供了大约180000个像素的信息。研究小组利用这18万个像素来训练他们的计算模型,以生成能准确描述锂插入反应如何进行的方程。他们发现,离子在LFP粒子内的运动与Bazant的计算机模拟预测非常吻合。Bazant说:"里面的每个小像素都在从满到空,从满到空地跳跃。我们正在绘制整个过程的地图,用我们的方程来理解这是如何发生的。""新技术揭示了一些以前无法看到的现象,包括单个LFP纳米粒子不同区域锂插入反应速率的变化。"巴赞特说,"有些区域的反应速度似乎很快,有些则很慢"。论文最重要的实际发现是,LFP粒子碳涂层厚度的变化直接控制着锂离子的进出速度,这可能会带来更高效的充电和放电。科学家们从这项研究中了解到,控制电池过程的是液态电解质和固态电极材料之间的界面--插层反应和颗粒碳涂层厚度的变化在这里以复杂的方式相互作用。这意味着,下一步的重点应该真正放在该界面的工程设计上。丰田研究所的Storey补充说:"这篇论文的发表是我们六年努力与合作的结晶。这项技术让我们以一种前所未有的方式揭开了电池的内部构造。我们的下一个目标是通过应用这一新的认识来改进电池设计。"...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385821.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1385821.htm

🔍 发送关键词来寻找群组、频道或视频。

启动SOSO机器人