Putt to små høyttalere ned mot en magnetisk tråd, og hva får du? Et dataminne som er en million ganger raskere enn en harddisk.

• Les også: Mot en smartere fremtid

Britiske forskere har laget en ny vri, eller kanskje en ny sound, på teknologi som i flere år har blitt finstemt i laboratoriene til IBMs Almaden Research Center i California.

Mer robust, mindre energiforbruk og mye raskere

Teknologien lagrer data magnetisk, omtrent som på en harddisk. Men harddisken har flere ulemper.

Den har bevegelige deler – en roterende glasskive og en mekanisk arm som flytter seg for å skrive eller lese data på skiven.

Mekaniske deler kan gå i stykker. De bruker også energi og tid for å bevege seg. Den nye teknologien har ingen bevegelige deler. Den er mer robust, bruker mindre energi og er mye raskere.

Det nye minnet skal bli nesten like raskt som hurtigminnet eller RAM i dagens datamaskiner ifølge fysikeren Stuart Parkin fra IBM, en av pionerene bak teknologien.

Kan erstatte nesten alle andre typer minne

Det finnes også andre typer minne uten bevegelige deler, for eksempel den typen som sitter i minnepinner. Men dette minnet er langsommere, særlig under skriving av data. Det er også mindre pålitelig ved lang tids bruk.

• Les også: Lysglimt gir raskere minne i datamaskiner

Parkin mener at det nye minnet skal kunne erstatte nesten alle andre typer minner i datamaskiner og bruke en brøkdel av energien.

Magnetfelt på veddeløpsbane

Teknologien som IBM har utviklet, kalles på engelsk racetrack memory. Magnetfelt med data raser opp og ned langs en tynn tråd, omtrent som hestene på en veddeløpsbane – racetrack. 

Magnetfeltene dyttes opp og ned langs tråden ved hjelp av elektroner. Det er spinnet til elektronene som utnyttes. Dette kalles spintronics.

Elektroner kan spinne i to motsatte retninger om sin egen akse. Strømmen som disse motsatte spinnene skaper, kan dytte magnetfeltene opp eller ned langs veddeløpsbanen – den tynne tråden av magnetisk materiale.

Det som egentlig koder data, er ikke magnetfeltene i seg selv. Det er veggene mellom magnetfeltene. De beveger seg også.

Slik kan data skyfles forbi stedet på tråden hvor de skrives inn eller leses ut med et magnethode, som på en harddisk. Og dette skjer altså helt uten mekanisk bevegelige deler.

Så langt IBMs forsøk.

Video fra Massachusetts Institute of Technology der Stuart Parkin fra IBM intervjues om minneteknologien.

Vibrerende tråd

Nå vil de britiske forskerne erstatte spinnende elektroner med lyd. Da kan disse minnekretsene bli enda mer energigjerrige, ifølge studien i Applied Physics Letters.

De to høyttalerne som lager lyden kalles transducere. Navnet har de fått fordi de ikke lager lydsvingninger i luft, men overfører lydbølger som vibrasjoner fra hver sin ende av den tynne tråden. 

Noen steder i tråden forsterker vibrasjonene eller bølgene hverandre. Du kan se det samme når bølger i ringer på vannet møtes i motsatt retning og løfter seg til større bølger – en stående bølge.

Spiller på bølgen

Hvis du gjør bølgene kortere eller lengre, flytter du stedet der de møtes og vokser. Kortere lydbølger har lysere klang, og lengre lydbølger har dypere klang.

• Les også: Spinnvill lagring

På samme måte kan forskerne justere tonehøyden i transducerne og flytte den stående bølgen i tråden fram og tilbake. Nærmest ved å spille toner på tråden kan magnetfeltene dyttes fram og tilbake.

Video fra IBM som viser deres versjon av racetrack memory-teknologien. Her styres magnetfeltene med spinnet fra elektroner, såkalt spintronics. Videoen er produsert i 2008, men grunnprinsippene er de samme.

Mange tråder

En tråd – eller veddeløpsbane – kan lagre rundt hundre bits, altså hundre enere eller nuller i dataminnet. Det høres ikke mye ut.  

Men tråden er tynn – rundt tusen ganger tynnere enn et menneskehår. Det er plass til millioner eller milliarder av slike hår i en databrikke. Dermed kan enorme mengder data lagres i alle disse trådene.

Ett transducerpar kan også styre flere tråder, ifølge forskerne bak studien. Dermed kan store mengder data styres samtidig, og energiforbruket kan bli enda lavere.

Lenke og referanse:

The solution to faster computing? Sing to your data. Nyhetsmelding fra The University of Sheffield.

Michael Byrne: A New SSD Design Uses Sound Waves, ‘Singing’ To Manipulate Data, grundigere populær gjennomgang 

J. Dean mfl.: A sound idea: Manipulating domain walls in magnetic nanowires using surface acoustic waves, Applied Physics Letters, 107, 142405, 5. oktober 2015, doi: 10.1063, sammendrag.

Verden trenger mer grønn energi fra sola og vinden.

For å nå målet om å begrense global oppvarming til to grader satt av FNs klimapanel er det behov for å bygge ut mer fornybar energi.

Vindturbiner kan stå på land eller ute på havet. Til havs vil det bli færre konflikter med lokalbefolkningen, mindre inngrep i naturen og færre fugler som ørn som dør på grunn av kollisjoner med rotorbladene. Vinden ute på havet er også sterkere og mer stabil.

• Les også: – Legg vindturbiner minst fem kilometer unna ørnereder 

Må tåle storm og bølger i 25 år

Det er med andre ord mye som taler for å bygge vindturbiner ute i havet. Og det er nettopp det som skjer mange steder i verden.

Langs kysten utenfor både Danmark, England, Tyskland og Nederland finnes det nå store vindturbinparker. Verdens aller første vindturbinpark til havs så dagens lys for 24 år siden i Danmark.

Forskere verden over jobber for å forbedre design og teknologiske løsninger for vindturbiner. Det gjelder å lage så sterke vindturbiner at de tåler storm og bølger i 25 år, og så billige at de kan erstatte mest mulig av fossil energi fra kull, olje og gass.

Prøver å gjøre vindturbiner billigere

– Det koster i dag om lag dobbelt så mye å utvinne energi fra vind til havs som på land. Men prisen for utbygging av fornybar energi bør ikke bare vurderes ut fra bedriftsøkonomiske prinsipper. En bør også ta inn kostnadene forbundet med global oppvarming, sier professor Gudmund Eiksund ved NTNU.

Norske ingeniører har skaffet seg mye kunnskap om bygging til havs etter over 40 år med olje- og gassutbygging. Mye av denne kunnskapen er direkte overførbar til utbygging av vindenergi, men det er også behov for å utvikle av ny kunnskap.

• Les også: Vindmøller på havet kan knekke som fyrstikker

Sammenlignet med annen industri er oljebransjen svært lønnsom. Investeringene for å bygge ut et oljefelt kan tjenes inn etter tre til fire år. En vindpark til havs tjenes i beste fall inn først etter 20–25 år.

Oljebransjen kan dermed ta seg råd til dyre løsninger. Når kostbare løsninger fra olje- og gassindustrien overføres direkte til fornybar energi, kan lønnsomheten bli for lav.

– Det prøver vi å gjøre noe med, sier Eiksund.

Metoder utviklet gjennom oljeindustrien

Hos professor Gudmund Eiksund ved Institutt for bygg anlegg og transport jobber nå seks doktorgradsstipendiater med ulike problemstillinger knyttet til fundamentering av vindturbiner til havs.

– Dagens vindturbiner til havs er laget etter modell fra vindturbiner på land, men fundamentert etter prinsipper utviklet for offshore olje- og gassindustrien, sier Eiksund.

De fleste vindturbiner til havs blir i dag fundamentert på monopeler. Det vil si et store stålrør som er hamret 25–35 meter ned i havbunnen. Det er store kostnader å spare i å redusere lengden på stålrøret, og mange faggrupper jobber med å få til det. Da er det avgjørende å vite hvordan havbunnen er.

Omfattende grunnundersøkelser

– Det kan være stor variasjon i styrken i materialet i havbunnen. I områder som er aktuelle for utbygging kan havbunnen bestå av bløt til fast leire, løs til fast sand eller kalkstein som kan variere fra forvitret kritt til hard kalk.

– En vindpark på havet består gjerne av 50 til 100 turbiner og kan dekke et område på 30–50 km². Det er gjerne 500 meter mellom hver turbin, sier Eiksund.

En grunnundersøkelsesrapport kan ofte være på flere tusen sider. Denne type informasjon er oftest bare tilgjengelig for utbyggingsprosjektet og dermed ikke tilgjengelig for bruk i forskingsmiljø ved universiteter.

Kan brukes for bedre utforming

Gjennom samarbeidet med Statoil og Statkraft har teamet til Eiksund fått tilgang på data fra grunnundersøkelsen for vindparken Sheringham Shoal som ligger cirka 20 kilometer fra land nord for Norwich i England.

• Les også: Vind kan dekke Norges energibehov 20 ganger

De har laget et bearbeidet sammendrag av grunnundersøkelsen som er publisert i tidsskriftet Engineering Geology. Dermed er denne kunnskapen lettere tilgjengelig enn før og kan brukes aktivt til å designe nye vindturbiner.

Norsk sokkel lite egnet for bunnfaste vindturbiner

Bunnfaste vindturbiner blir i dag bygd ut på relativt flat sjøbunn ned til cirka 35 meters havdyp.

– Det er få områder langs Norskekysten som har slike forhold, og norsk sokkel er lite egnet for bunnfaste turbiner. Et av de mest lovende områdene ligger sør for Lista, sier Eiksund.

Norsk kontinentalsokkel har derimot stort potensial for utbygging av vindenergi med mye vind. Havdyp og bunnforhold gjør flytende vindturbiner mest aktuelt.

– I en rekke land er det politisk støtte til å utvikle vindprosjekter til havs. Som en oljenasjon med stor kunnskap om bygging i havet, bør Norge ha kunnskap om etablering av bølgekraftverk og vindturbiner til havs. Vi må sørge for å være så dyktige at vi kan selge kunnskapen til andre land som skal bygge, sier Eiksund.

Forskningsleder John Olav Giæver Tande ved Sintef Energi bemerker at markedet og teknologien for offshore vindkraft bare er i startfasen med stort potensial for kostnadsreduksjoner. Målet er å halvere kostnaden per kilowattime for nye offshore vindkraftverk innen 2030. 

Gjenbruk av kompetanse

– Det er viktig at kompetansen som er bygget opp i løpet av «oljealderen» kommer til gjenbruk ved utvikling av bærekraftig energiforsyning, sier professor Olav Bjarte Fosso ved NTNU.

Han mener det er potensial for gjenbruk av kompetanse innenfor mange områder.

– Vurdering av bunnforhold er viktig i denne sammenheng. Prisen må ned på vindmøller til havs for at energien skal være konkurransedyktig. En riktigere prissetting av miljøkostnader vil også bidra til at fornybar energi blir konkurransedyktig, sier Fosso.

Referanse:

Le, Eiksund, Strøm og Saue: Geological and geotechnical characterisation for offshore wind turbine foundations: A case study of the Sheringham Shoal wind farm. Engineering Geology, juli 2014, doi: 10.1016/j.enggeo.2014.05.005. Sammendrag