Scaling-up from prototype systems to dense arrays of ions on chip, or vast
networks of ions connected by photonic channels, will require developing
entirely new technologies that combine miniaturized ion trapping systems with
devices to capture, transmit and detect light, while refining how ions are
confined and controlled. Building a cohesive ion system from such diverse parts
involves many challenges, including navigating materials incompatibilities and
undesired coupling between elements. Here, we review our recent efforts to
create scalable ion systems incorporating unconventional materials such as
graphene and indium tin oxide, integrating devices like optical fibers and
mirrors, and exploring alternative ion loading and trapping techniques.Comment: 19 pages, 18 figure
Актуальність тематики обумовлена широким використанням іонних
пасток як базових компонентів сучасних контрольно-вимірювальних пристроїв
високої точності. Іонні пастки застосовуються в квантовій криптографії, атомних
годинниках, мас-спектрометрії, квантових комп’ютерах, експериментальних
установках для вивчення атомно-іонної взаємодії [1-2].
Мета кваліфікаційної роботи полягала в аналізі фізичних принципів
функціонування, класифікації та конструктивно-технологічних особливостей
радіочастотних та електрооптичних іонних пасток; проведенні теоретичних
розрахунків і аналізу результатів експерименту з захоплення іонів 40Ca+ у
лінійній іонній пастці Пауля.
Методи і методики: методика захоплення іонів 40Ca+ у лінійній іонній
пастці
Atomic ions trapped in electromagnetic potentials have long been used for fundamental studies in quantum physics. Over the past two decades, trapped ions have been successfully used to implement technologies such as quantum computing, quantum simulation, atomic clocks, mass spectrometers and quantum sensors. Advanced fabrication techniques, taken from other established or emerging disciplines, are used to create new, reliable ion-trap devices aimed at large-scale integration and compatibility with commercial fabrication. This Technical Review covers the fundamentals of ion trapping before discussing the design of ion traps for the aforementioned applications. We overview the current microfabrication techniques and the various considerations behind the choice of materials and processes. Finally, we discuss current efforts to include advanced, on-chip features in next-generation ion traps
With the issue of the rise of anthropogenic CO2, global warming and rise of the primary energy demand, strong measures for the energy transition and the diversification with renewables and existing fossil-based infrastructure are required. Also, carbon capture and utilization of CO2 would also be needed. In that sense, thermochemical redox cycles gain particular interest to produce synthetic fuels, which can be used for energy generation and production of chemicals. In a two-step redox cycles, metal oxides acts as oxygen carriers and undergo looping between two reactors. In the reduction reactor, metal oxide is reduced with release of oxygen (solar-thermal) or produces syngas (for fuel reduction) whereas, in oxidation, CO2/H2O splits for form syngas when in contact with the metal oxide. Ceria being readily available at large scale and due to its nature of undergoing reduction non-stoichiometrically at low temperature makes it a good candidate.
In the present thesis, a detailed investigation of thermochemical dissociation of CO2 and H2O considering solar thermal and fuel reduction with a focus on non-structured reactors is carried out.
For the solar-driven cycle, an assessment of counter-current flow moving bed reactors for reduction and oxidation is performed and a chemical looping (CL) unit is added to a 100 MW power plant. With an operating temperature of 1600oC and 10-7 bar pressure, a maximum power output of 12.9 MW with solar to electricity efficiency of 25.4% is calculated. This additional power would bring down the efficiency loss due to carbon capture from 11.3 to 6%. Even though a considerable efficiency is obtained on very optimistic operating conditions, it still requires a huge solar field. Economics revealed that with a carbon tax of 40/toneofCO2thelevelizedcostofelectricity(LCOE)achievedis17.8timeshigherthantheexistingmarketprice(withoutcarboncapture).Ifahighercarbontaxof80/MWh is considered that it would still be 6.28 times higher for a plant with a carbon tax.
As an alternative, methane-driven CL unit is integrated into a power plant to access the overall system efficiency and amount of efficiency regain after carbon capture. Since there exists no solid-state kinetic model in the literature for methane driven CO2/H2O splitting cycle, an experimental investigation was performed which revealed that an Avrami-Erofe’ev (AE3) model fit best to both oxidation and reduction, with activation energies of 283 kJ/mol and 59.7 kJ/mol, respectively. A comparative assessment was performed to investigate the influence of kinetics. A CL unit based on thermodynamics and kinetics (with moving bed reactors) were tested in a power plant. A drop of 20% in the efficiency of the CL unit was observed when the kinetic-based CL unit is considered. However, due to thermal balance within the system, a similar thermal efficiency of the overall plant was achieved as 50.9%. However, when the thermodynamic-based CL unit layout is considered there exists an excess heat which predicts the possibility of improving the efficiency. An economic assessment revealed a specific overnight capital cost of 2455/kW,alevelizedcostofCO2savingsof96.25/tonneCO2, and a LCOE of 128.01 /MWh.However,withacarbontaxof6/tonneCO2, the LCOE would drop below 50 /MWh.Themethane−drivenCLunitislaterintegratedasanadd−onunittoapolygenerationplantthatproduceselectricityanddimethylether.Theresultsshowedthattheplantcanproduce103MWeand2.15kg/sofDMEwithenergyandexergyefficiencyof50534 million. With the carbon tax of 40/tonneofCO2,acurrentDMEpriceof18/GJ and an electricity price of 50/MWhwouldbeachieved.Overall,theintegrationoftheCLunitasanadd−onunittothepowerplantismoresuitablethanpolygenerationwithrespecttotheexistingmarketprice.ElaumentodelCO2antropogeˊnicoyelcalentamientoglobalyelaumentodelademandadeenergıˊaprimariahacequeserequieranmedidasparalatransicioˊnenergeˊticayladiversificacioˊnconenergıˊasrenovableseinfraestructurasexistentesbasadasencombustiblesfoˊsiles.Ademaˊsdeimplementarmedidasparalacapturayelsecuestrodecarbono,tambieˊnsenecesitadesarrollarmeˊtodosparalautilizacioˊndeCO2.Enesesentido,losciclosredoxtermoquıˊmicossonparticularmenteinteresantesparaproducircombustiblesinteˊticoque,asuvez,puedenutilizarseparalaproduccioˊndeotrassubstanciasquıˊmicas.LaroturadeCO2/H2O(CL)medianteunavıˊatermoquıˊmicadedospasosestaˊcompuestapordosreaccionesredoxconunoˊxidometaˊlico.Elprimerpasoeslareduccioˊndelosoˊxidosmetaˊlicosalperderoxıˊgenoycrearvacantesenlaredaunatemperaturamaˊsaltayconvertirseenoˊxidodemetaldevalenciamaˊsbaja.Durantelaetapadeoxidacioˊn,losgasesreactivosCO2/H2OreaccionanconeloˊxidometaˊlicoreducidoformandoCOyH2.Sehainvestigadoelusodediferentesoˊxidosmetaˊlicosenfuncioˊndesucapacidaddetransportedeoxıˊgenoysuspropiedadespararealizarciclosredoxcontinuosadistintosvaloresdetemperaturaypresioˊn.Despueˊsdeunexamencuidadoso,sehaseleccionadoalaceriaparaladivisioˊndeCO2/H2Oagranescala.Enelpresentetrabajo,seinvestiganlasdivisionestermoquıˊmicasdeCO2/H2Oimpulsadasporenergıˊasolarylareduccioˊndemetanoparalaproduccioˊndegasdesıˊntesis,conespecialatencioˊnasuaplicacioˊnenreactoresnoestructurados.Seevaluˊaelusodereactoresdelechomoˊvilbasadoenflujocontracorrienteyreactoresdelechofluidizadoquefuncionanendiferentesregıˊmenesdefluidizacioˊn.EsunreactordelechomoˊviltantoparalaetapadereduccioˊncomoparalaetapadeoxidacioˊnseobtienenaltasselectividadesdeCOyH2convoluˊmenesoˊptimosdelreactor,mientrasqueenunreactordelechofluidizadoelvolumenrequeridoesmuchomaˊsalto,loquelohaceinviable.LosmodelosdereactorsehandesarrolladoenAspenplusysevalidanapartirdelaliteratura.UnanaˊlisisdesensibilidadhareveladoquelaunidadCLdependeengranmedidadelatemperaturaylapresioˊn.ElanaˊlisissehaampliadointegrandolaunidaddesarrolladadeCLcomounaunidadadicionalaunacentraleleˊctricade100MWconcapturadecarbono.LaeficienciadelaplantasehainvestigadoconsiderandosoˊloladivisioˊndeCO2,soˊloladelH2OylamezcladeCO2yH2OcomoalimentacioˊnalreactordeoxidacioˊndelaunidadCL.Elresultadoesdeunapotenciamaˊximade12.9MWconunaeficienciadeenergıˊasolaraeleˊctricade25.4/MWh sin incluir incentivos ni impuestos sobre el carbono.
Posteriormente, se ha considerado la reducción del metano como una alternativa a la reducción térmica. Al principio, se realizaron análisis termodinámicos de la unidad de CL impulsada por metano. A partir del análisis, se ha demostrado que la temperatura mínima requerida es de 900°C con 50% de exceso de metano para la reducción, lo que supone una eficiencia de la unidad CL de 62% con un rendimiento óptimo de CO y H2. La división de CO2/H2O en el reactor de oxidación a una mayor temperatura de salida beneficiaría considerablemente la eficiencia energética del ciclo redox CL completo. La variación de la relación H2/CO en la salida con respecto a los parámetros de entrada variables que incluyen la composición del gas al reactor de oxidación se ha estudiado con el fin de especificar las condiciones operativas idóneas.
Posteriormente, la unidad CL impulsada por metano se ha integrado como una unidad adicional a una central eléctrica de 500 MW alimentada por oxígeno. Se ha investigado el rendimiento de un sistema con un ciclo combinado de gas natural convencional con o sin captura de carbono. Se ha obtenido una eficiencia de sistema y eficiencia energética de 50.7 y 47.4%, respectivamente. La eficiencia del sistema podría mejorarse a 61.5%, sujeto a la optimización del sistema. La evaluación tecno-económica ha revelado un coste de capital durante la noche de 2455 /kWconuncostedeahorrodeCO2de96.25/tonelada CO2 y un LCOE de 128.01 /MWh.Sinembargo,concreˊditosdecarbonode6/tonelada CO2, el LCOE caería por debajo de 50 /MWh.Conl′aumentodelleemissionidiCO2antropogenicachecontribuisconoalriscaldamentoglobaleel′incrementodelladomandamondialedienergiaprimaria,sonorichiestesignificativemisureperfavorireladiversificazionedellefontielatransizioneenergeticatramitefontirinnovabiliapartiredalleinfrastruttureesistentibasatesucombustibilifossili.Primaancoradegliinterventiperlacatturaeilsequestrodell’anidridecarbonica,anchel’utilizzodellaCO2rappresentaunamisuranecessariaalraggiungimentodegliobiettivididecarbonizzazione.Inquestosenso,icicliredoxtermochimicihannoacquisitoparticolareinteresseperlaproduzionedicombustibilesinteticodautilizzarecomeintermedionellaproduzionedialtriprodottichimici.LaseparazionechimicadiCO2/H2Oattraversounciclotermochimico–chemicalloopingsplitting(CL)–induefasieˋcompostadaduereazioniredoxconunossidodimetallo.Laprimafasedelcicloavvieneallatemperaturapiuˋelevataeconsistenellariduzionedell’ossidodimetallo,checedeossigenocreandovacanzenelreticoloediventandoossidodimetalloabassavalenza.Durantelafasediossidazione,igasreagentiCO2/H2Oreagisconoconl′ossidodimetalloridottocheformaCOeH2.Unamappaturadettagliatadeidiversiossididimetalloeˋstataeffettuatainbaseallalorocapacitaˋditrasportodell’ossigenoealleproprietaˋneiciclidiossido−riduzioneafunzionamentocontinuoincondizionidivariazioneditemperaturaepressione.Dopounattentoesame,l’ossidodiCerio−ceria−eˋstatoselezionatoperl′applicazionechepuoˋesseredisponibileperlascissioneCO2/H2Osulargascala.Inquestolavoro,sialaseparazionetermochimicadiCO2/H2Oalimentatatramiteenergiasolare,siaicicliconriduzionetramitemetano,entrambifinalizzatiallproduzionedisyngassonostatistudiaticonparticolareattenzioneaireattorinonstrutturati.Perilciclotermochimicobasatosuenergiasolare,eˋstataeffettuatalavalutazionedeireattorialettomobileaflussoincontrocorrenteealettofluidocheoperanoindiversiregimidifluidizzazione.Ilreattorealettomobileeˋstatoindividuatocomeilpiuˋperformantesiaperlariduzionechel’ossidazione,conelevateselettivitaˋversoCOeH2evolumiottimalidelreattore,mentreunaresaanalogaconreattorialettofluidizzatopotrebbeessereottenutasoloconvolumidireattoremoltoalti,rendendoquestasceltairrealizzabilenellapratica.ImodellidireattoresonostatisviluppatiinAspenplusesonostativalidatidallaletteratura.Un′analisidisensitivitaˋharivelatochelaperformancedell′unitaˋCLeˋinlargamisuradipendentedallatemperaturaedallapressionediriduzione.L′analisieˋstataestesaintegrandol′unitaˋCLsviluppatacomeunitaˋaggiuntivadiunacentraleelettricaaossicombustioneda100MWconcatturadicarbonio.L′efficienzadell′impiantoeˋstatastudiataconsiderandodialimentareilreattorediossidazionedell′unitaˋCLsiaconCO2,siaconH2O,siaconunamisceladiCO2eH2O.Irisultatiindicanounapotenzamassimadi12,9MWconunrendimentodasolareaelettricitaˋdel25,4 / MWh, senza includere incentivi o tassazione sul carbonio.
Successivamente, è stata considerata la riduzione della ceria con metano come alternativa alla riduzione termica. Inizialmente, sono state condotte analisi termodinamiche dell'unità CL con riduzione a metano. Dall'analisi è emerso che la temperatura minima richiesta era 900 °C per la riduzione con un eccesso di metano del 50%, che ha prodotto un'efficienza dell'unità CL del 62% con una resa ottimale di CO e H2. In questo caso, la scissione di CO2/H2O nel reattore di ossidazione consisteva nell'ossidazione completa esotermica della ceria, per cui una temperatura di uscita più elevata avrebbe notevolmente migliorato l'efficienza energetica del ciclo CL redox completo. La variazione del rapporto H2 / CO all'uscita rispetto ai vari parametri di input, compresa la composizione del gas inviato al reattore di ossidazione, è stata studiata per specificare le condizioni operative necessarie.
Successivamente, l'unità CL a metano è stata integrata come unità aggiuntiva in una centrale elettrica a ossicombustione da 500 MW. Sono state studiate le prestazioni del sistema in una valutazione comparativa con un ciclo combinato convenzionale a gas naturale, un ciclo a ossicombustione con cattura di carbonio e l'impianto proposto. Sono stati ottenuti per l’impianto rispettivamente un rendimento del sistema e un'efficienza energetica del 50,7% e del 47,4%. L'efficienza del sistema potrebbe essere migliorata fino al 61,5% tramite l'ottimizzazione del recupero termico del sistema, valutata attraverso la pinch analysis del sistema. Una dettagliata valutazione tecno-economica ha rivelato un costo specifico del capitale di 2455 /kW(overnightcost),uncostolivellatodelleemissionidiCO2evitate96,25 / tonnellata di CO2, e un costo dell’elettricità (LCOE) di 128,01 /MWh.Tuttavia,considerandounincentivodi6 / tonnellata di CO2 evitata, il LCOE scenderebbe sotto i 50 /MWh.L′unitaˋCLametanovienesuccessivamenteintegratacomeunitaˋaggiuntivainunimpiantodipoligenerazionecheproduceelettricitaˋedimetil−etere.Irisultatihannomostratochel′impiantopuoˋprodurre103MWee2,15kg/sdiDMEconun’efficienzaenergeticaedexergeticadel50. Con un valoré per la carbon tax di 40/tonnellatadiCO2,ilDMEel’elettricitaˋraggiungerebberolaparitaˋcongliattualiprezzidimercato,paria18/GJ per il DME e $50/MWh per l’elettricità. I costi risultanti sono dovuti all'unità di separazione dell'aria richiesta per la centrale elettrica a ossicombustione e può essere ridotta sostituendo l'unità di separazione dell'aria con una tecnologia a membrana per la separazione dell'ossigeno.
Poiché in letteratura non esiste un modello completo per cinetica dello stato solido che descriva la riduzione con metano della ceria, esso è stato ricavato per via sperimentale. Sono stati condotti esperimenti in un reattore tubolare orizzontale a letto fisso in un intervallo di temperatura di 900-1100 °C. E’ stata studiata la cinetica della scissione della CO2, essendo una reazione più complessa rispetto alla scissione dell'acqua, la cui cinetica è stata invece ottenuta dalla letteratura. In base all’analisi sperimentale condotta, il modello cinetico Avrami-Erofe'ev (AE3) è risultato essere il migliore per entrambe le reazioni, con le rispettive energie di attivazione ottenute rispettivamente come 283 kJ/mol e 59,68 kJ/mol. L'ordine della reazione è stato ricavato come relazione tra temperatura e concertazione dei reagenti.
L'analisi è stata effettuata seguendo un approccio termodinamico, ma la reazione eterogenea dell'ossido di metallo e dei gas reagenti limita il raggiungimento dell'equilibrio durante la reazione e dipende sempre dal tipo di reattore scelto per
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l'applicazione. Pertanto, un modello di reattore a letto mobile è stato sviluppato considerando la riduzione del metano ottenuta sperimentalmente e la cinetica di splitting della CO2 è stata incorporata per valutare i due impianti proposti: la centrale elettrica e l'impianto di poligenerazione. È stata osservata una riduzione del 20% nell'efficienza dell'unità CL. Tuttavia, grazie all’integrazione termica interna al sistema, l’efficienza termica dell'impianto complessivo è molto simile a quella raggiunta nell’analisi termodinamica, con un valore del 50,9%. Tuttavia, a differenza del layout termodinamico, non è disponibile calore in eccesso per migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema. Oltre al riciclo e all'utilizzo della CO2, come criteri di valutazione della sostenibilità per il layout proposto sono stati analizzati anche l’occupazione del suolo terreno e il fabbisogno idrico. Sia il fabbisogno di terra che di acqua aumentano di 2,5 volte rispetto ad una centrale convenzionale a ciclo combinato a gas naturale.
Inoltre, anche l’impianto di poligenerazione con produzione di energia elettrica e dimetil etere (DME) è stato studiato considerando un modello dell’unità CL basato sulla cinetica e ha rilevato che la produzione di DME scenderebbe da 2,15 kg/s a 1,48 kg/s e la potenza elettrica prodotta da 103 a 72 MW. Pertanto, la cinetica ha una forte influenza sulla prestazione complessiva del sistema, e considerarla nell’analisi porta a ridurre la produzione di energia e DME di circa il 30% con un aumento di costo del 30%.
Complessivamente, l'integrazione dell'unità CL come unità aggiuntiva ad una centrale elettrica a ossicombustione risulta più adatta rispetto alla poligenerazione, considerando il prezzo di mercato attuale per le commodities prodotte