Abril: tecnología de próxima generación con cero emisiones de carbono

La imagen muestra el corazón del reactor dentro de la máquina de deposición química de vapores de metales orgánicos (MOCVD). Aquí es donde se coloca el sustrato calentado, formando la base sobre la que se cultiva el óxido de galio. Cohen Rautenkranz, Tecnología Agnitron

La imagen muestra el exterior de la máquina MOCVD. Los procesos son monitoreados por computadoras; Se controlan las temperaturas y los flujos de gas. Profesor Martín Kuball

Comunicado de prensa emitido: 27 de abril de 2022

Los transformadores de potencia que actualmente tienen el tamaño de contenedores de transporte que transportan energía a hogares y empresas en todo el Reino Unido podrían reducirse al tamaño de una maleta, gracias a un proceso pionero que utiliza un nuevo material sobrealimentado con niveles de eficiencia sin precedentes.

La técnica que está cambiando la industria se está desarrollando en la Universidad de Bristol en un momento en que la necesidad de reducir el consumo de energía nunca ha sido mayor, a medida que se intensifica el impulso para reducir las emisiones de carbono y se disparan los costos del combustible.

Un equipo de científicos destacados acaba de instalar la primera máquina del Reino Unido para fabricar capas de óxido de galio, el maravilloso semiconductor que forma el componente crucial de futuros dispositivos energéticos revolucionarios con el potencial de reducir el consumo total de energía en alrededor de un 20% tanto en el hogar como en el hogar. entornos industriales.

La mayoría de los convertidores de potencia y suministros de electricidad funcionan convirtiendo un voltaje de CA en otro voltaje de CA, o un voltaje de CA en un voltaje de CC o viceversa. Este es el caso de redes de distribución de energía más amplias, como líneas eléctricas, así como al enchufar dispositivos eléctricos. Los transformadores tradicionales pueden ser pesados, de base metálica e ineficientes debido al exceso de calor generado en el proceso, mientras que los circuitos de conversión de energía más modernos están hechos en su mayoría de componentes semiconductores de silicio (Si) más comunes.

En los últimos años se han realizado importantes avances para sustituir la electrónica de potencia basada en silicio por nuevos dispositivos fabricados con los llamados semiconductores de banda prohibida ancha. Esto los hace mucho más pequeños y más eficientes; por ejemplo, los coches eléctricos y los cargadores de portátiles utilizan componentes fabricados con semiconductores de bajas pérdidas, nitruro de galio (GaN) o carburo de silicio (SiC).

Pero aún persisten desafíos para convertir con éxito altos voltajes de manera rentable y con una mínima pérdida de energía. Esto incluye reemplazar transformadores metálicos viejos y voluminosos ubicados en los vecindarios hasta el voltaje de la red eléctrica común de los enchufes domésticos. Incluso los convertidores modernos basados ​​en semiconductores con componentes de silicio que, por ejemplo, alimentan la red nacional con energía procedente de plantas solares, siguen presentando importantes ineficiencias.

La nueva máquina de deposición química de vapores de metales orgánicos (MOCVD) de la universidad, que puede producir óxido de galio semiconductor de próxima generación, presenta una solución convincente a este problema.

El líder del proyecto, Martin Kuball, profesor de Física y catedrático de Tecnologías Emergentes de la Real Academia de Ingeniería, dijo: “Esta es una oportunidad enormemente emocionante y que se necesita con urgencia. Con el impulso para introducir electrónica de potencia más eficiente y tecnologías renovables avanzadas en medio de la apremiante crisis climática, esto representa un punto de inflexión para un suministro energético futuro más sostenible y asequible.

“En la actualidad, casi tres cuartas partes (72%) del consumo mundial de energía primaria se desperdician. Si bien la mayor parte de la tecnología con bajas emisiones de carbono todavía se basa en dispositivos electrónicos basados ​​en silicio, poco a poco estamos empezando a ver que estos son reemplazados por semiconductores fabricados con nitruro de galio y carburo de silicio. A medida que se aceleran las acciones para reducir nuestra huella de carbono, debe centrarse más en el desarrollo de dispositivos basados ​​en óxido de galio y estamos comprometidos a avanzar en esto a escala y velocidad”.

El equipo de 20 investigadores está colaborando con otros grupos en todo el mundo, incluidos Japón, Estados Unidos y Alemania, así como con socios de la industria como Dynex Semiconductors. Financiado en parte por la Real Academia de Ingeniería, el sistema MOCVD de óxido de galio de Agnitron Technology en EE. UU. es el primero de su tipo en Europa.

“El sistema MOCVD se utilizará para generar capas delgadas, mucho más delgadas que un cabello humano, de óxido de galio y óxido de aluminio y galio, en una cámara que contiene gases altamente purificados. Luego, estas capas pasan a nuestra sala limpia, un área casi completamente libre de polvo, donde se agregan metales y otras capas, efectivamente en contacto eléctrico, para producir el componente electrónico de potencia terminado que está listo para usar. Estos son incluso más eficientes energéticamente que los componentes actuales de GaN y SiC”, explicó el profesor Kuball.

"Activaremos la máquina este mes y aspiraremos a tener nuestros primeros componentes basados ​​en óxido de galio en los próximos meses, lo que nos colocará a la vanguardia en la fabricación de dispositivos energéticos energéticamente eficientes del futuro".

La tecnología no sólo significa que las redes de distribución de energía desperdiciarán mucha menos energía, sino que también podrían verse muy diferentes.

El profesor Kuball dijo: “Las unidades de conversión de energía existentes, que a menudo se encuentran en nuestras calles, tienen el tamaño de un contenedor. Llevar esta tecnología al siguiente nivel podría reducirlos al tamaño de una maleta. Luego se podrían construir redes eléctricas distribuidas, o redes inteligentes, porque las proporciones compactas permiten tener más de ellas ampliamente distribuidas. Esto reduciría el riesgo de cortes de energía en grandes zonas de la ciudad, como ocurre actualmente cuando se cae una línea eléctrica. Las ventajas de la tecnología basada en óxido de galio son enormes. Ahora más que nunca debemos desarrollar y perfeccionar los procesos para lograrlo plenamente”.