Naukowcy z National Renewable Energy Laboratory (NREL) przedstawili właśnie światu moduł przetwornicy mocy ULIS (Ultra-Low Inductance Smart), który ich zdaniem ma szansę zrewolucjonizować konwersję mocy. Nie jest to byle komponent kluczowy dla sieci energetycznej, bo obiecuje on osiągi przekraczające to, co oferuje dzisiejsza technologia, a przy tym ma być na dodatek tańszy i łatwiejszy w produkcji. Brzmi jak obietnica zbyt dobra, aby była prawdą? W takim razie przyjrzyjmy się faktom.
Sens tego sprzętu w skrócie? ULIS bardzo szybko i precyzyjnie przełącza duże prądy przy wysokim napięciu, minimalizując straty i zakłócenia dzięki ultraniskiej indukcyjności. W praktyce ma więc służyć jako nowa generacja modułu mocy do przetwornic, falowników i zasilaczy w sieciach energetycznych, centrach danych, pojazdach elektrycznych czy lotnictwie, pozwalając upakować więcej mocy w mniejszej, tańszej i łatwiejszej w produkcji “kostce”.
Technologia na miarę krytycznego momentu w historii ludzkości
Globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrosło w 2024 roku o 4,3 procent, co jest prawie dwukrotnością średniej z ostatniej dekady. Co ciekawe, emisje CO₂ związane z energią zwiększyły się w tym samym czasie tylko o 0,8 procent. Sugeruje to, że czyste źródła zaczynają realnie oddzielać wzrost gospodarczy od szkód dla środowiska. Odnawialne źródła energii i atom po raz pierwszy odpowiadały za 40 procent globalnej produkcji prądu. Mimo to systemy energetyczne są pod coraz większą presją. Muszą być wydajniejsze, mniejsze i bardziej elastyczne, aby nadążyć za popytem napędzanym przez przemysł, elektryczne samochody i gigantyczne farmy serwerów.
Czytaj też: Koniec z nocnymi przerwami w fotowoltaice. Startup zebrał miliony na pomysł, który wydaje się szalony
Sercem rozwiązania jest wspomniany ULIS, a więc moduł zbudowany na bazie węglika krzemu. Jego kluczową cechą jest ultraniska indukcyjność pasożytnicza, czyli opór, który spowalnia zmiany w przepływie prądu. ULIS redukuje ten opór od siedmiu do dziewięciu razy w porównaniu z obecnymi, zaawansowanymi modułami. W praktyce oznacza to, że może przełączać prąd niezwykle szybko, wyciągając więcej użytecznej mocy z tej samej dostawy i osiągając pięciokrotnie wyższą gęstość energii na mniejszej powierzchni. Moduł, znamionowany na 1200 woltów i 400 amperów, dodatkowo monitoruje swój stan na bieżąco, co pozwala przewidywać potencjalne awarie, a tak się składa, że jest to funkcja nie do przecenienia w krytycznej infrastrukturze, gdzie każda minuta przestoju generuje ogromne straty.
Architektura inspirowana naleśnikiem i kluczowy krok ku produkcji masowej
Tajemnica wydajności ULIS kryje się w nietypowym projekcie. Zamiast standardowej, przypominającej cegłę formy, naukowcy ułożyli obwody wokół płaskiej, ośmiokątnej konstrukcji. Uzyskany w ten sposób dyskowaty kształt pozwolił upakować więcej komponentów na mniejszej przestrzeni, tworząc tym samym moduł mniejszy i lżejszy. Równie ważna jest zmiana w materiałach. Zamiast łączyć miedź z ceramiczną podstawą, zespół wykorzystał elastyczny polimer Temprion, który łączy się z miedzią pod wpływem ciśnienia i ciepła. Takie podejście nie tylko czyni konstrukcję cieńszą, ale i znacznie łatwiejszą w produkcji. Dzięki innowacjom produkcyjnym opracowanym przez badaczy, koszt wytworzenia skomplikowanego modułu spadł z tysięcy do setek dolarów, a to akurat jest kluczowe dla ewentualnej komercjalizacji.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
Trzeci element układanki to bezprzewodowa komunikacja. ULIS może działać jako izolowana jednostka, która będzie kontrolowana i monitorowana bez jakiejkolwiek plątaniny kabli. Jego modularna natura, porównywana do klocków Lego, sugeruje szerokie spektrum zastosowań. Co równie istotne, obecna w nim architektura została zaprojektowana z myślą o przyszłości. Oznacza to tyle, że jest skalowalna i gotowa na przyjęcie nowszych materiałów półprzewodnikowych, jak azotek galu czy tlenek galu, które mogą pojawić się na rynku w nadchodzących latach. To podejście świadczy o dalekowzroczności projektu.
Od sieci energetycznych po lotnictwo. Gdzie ULIS może się przydać?
Potencjalnych zastosowań dla ULIS jest wiele. Pierwszym z nich jest modernizacja starzejących się sieci energetycznych, gdzie ULIS mógłby zastąpić duże, niskoczęstotliwościowe transformatory, dostarczając więcej użytecznej energii przy mniejszych stratach. Kolejnym obszarem jest lotnictwo, a konkretnie rozwijające się elektryczne pojazdy pionowego startu i lądowania. Te maszyny potrzebują kompaktowych, lekkich i niezwykle wydajnych przetwornic mocy, a to akurat zestaw cech, które definiują ULIS. Moduł mógłby też znaleźć zastosowanie w centrach danych, mikroreaktorach czy platformach wojskowych. Nawet daleka przyszłość, jak komercyjna energia fuzyjna, wymagać będzie komponentów o parametrach, które dzisiejsze technologie ledwo spełniają.
Aktualnie zespół stojący za tym dziełem jest gotowy, aby przetestować go w rzeczywistych warunkach. Jest to więc ambitne przedsięwzięcie, które (jeśli spełni obietnice) może uczynić następną generację systemów energetycznych tańszą, wydajniejszą i bardziej zwartą. W świecie, gdzie każdy procent oszczędności energii ma znaczenie, takie inicjatywy są na wagę złota, choć ich prawdziwy test dopiero nadejdzie wraz z komercyjnym wdrożeniem.