Este minúsculo módulo de energia pode mudar a forma como o mundo usa a energia

Uma solução promissora é utilizar as fontes de energia existentes de forma muito mais eficiente e com custos mais baixos.

Uma nova abordagem para eficiência energética

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) desenvolveram um novo módulo de energia baseado em carboneto de silício projetado para melhorar drasticamente a forma como a eletricidade é convertida e entregue. Um módulo de potência é o invólucro que contém componentes eletrônicos de potência, que regulam o fluxo de eletricidade entre os sistemas. Este novo design oferece eficiência recorde, maior densidade de potência e um processo de fabricação que mantém os custos baixos.

A tecnologia é conhecida como módulo de potência inteligente de indutância ultrabaixa do NREL, ou ULIS. Ao usar semicondutores de carboneto de silício, o ULIS pode atingir cinco vezes a densidade de energia dos designs anteriores, ocupando menos espaço. Essa combinação permite que os fabricantes construam equipamentos menores, mais leves e com maior eficiência energética. O módulo de 1.200 volts e 400 A é adequado para data centers, redes elétricas, microrreatores e plataformas pesadas, como aeronaves e veículos militares de próxima geração.

Por que a indutância ultrabaixa é importante

Uma das principais vantagens do ULIS é a sua indutância parasita excepcionalmente baixa, que se refere à resistência que retarda as mudanças na corrente elétrica e limita a conversão eficiente de energia. O ULIS reduz essa resistência de sete a nove vezes em comparação com os módulos de potência de carboneto de silício mais avançados da atualidade.

Como o sistema pode alternar a corrente elétrica de forma extremamente rápida e eficiente, ele converte mais eletricidade disponível em energia utilizável. Essa capacidade permite ao ULIS extrair significativamente mais valor do mesmo fornecimento de energia, tornando-o um forte candidato para responder às crescentes necessidades energéticas globais.

“Consideramos o ULIS um verdadeiro avanço”, disse Faisal Khan, pesquisador-chefe de eletrônica de potência do NREL e investigador principal do projeto. “É um módulo de energia ultrarrápido e preparado para o futuro que tornará a próxima geração de conversores de energia mais acessível, eficiente e compacto.”

Construído para confiabilidade em condições extremas

O ULIS foi projetado não apenas para eficiência, mas também para confiabilidade em ambientes exigentes. De acordo com Khan, o módulo leve, porém poderoso, pode monitorar sua própria condição e antecipar falhas de componentes antes que elas aconteçam.

Esse recurso é especialmente crítico para aplicações de alto risco, como aviação e operações militares. Para aeronaves operando a 30.000 pés ou veículos navegando em zonas de combate, a detecção precoce de falhas pode ser a diferença entre o sucesso da missão e uma perda catastrófica.

“O ULIS foi um esforço verdadeiramente orgânico, construído inteiramente internamente aqui no NREL”, disse Khan. “Estamos muito entusiasmados em demonstrar seus pontos fortes em cenários do mundo real.”

Um redesenho radical para fabricação com custos mais baixos

Muitos dos ganhos de desempenho do ULIS vêm de um design físico completamente novo.

Os módulos de potência tradicionais empilham dispositivos semicondutores dentro de embalagens semelhantes a caixas. Em vez disso, o ULIS organiza seus circuitos em um layout plano e octogonal. Essa estrutura em forma de disco acomoda mais componentes em um espaço menor, reduzindo o tamanho e o peso. Ao mesmo tempo, seu inovador roteamento de corrente minimiza a interferência magnética, o que ajuda a fornecer uma saída elétrica mais limpa e maior eficiência geral.

“Nossa maior preocupação era que o dispositivo desligasse e ligasse muito rapidamente, e precisávamos de um layout que não criasse um ponto de estrangulamento no design”, disse Shuofeng Zhao, pesquisador de eletrônica de potência do NREL que projetou a arquitetura de cancelamento de fluxo do ULIS.

Os primeiros conceitos exploravam formas tridimensionais complexas, incluindo desenhos que lembravam flores ou cilindros ocos. No entanto, estas ideias revelaram-se demasiado caras ou difíceis de fabricar. A inovação ocorreu quando a equipe simplificou o conceito em uma estrutura quase bidimensional. Sarwar Islam, outro pesquisador de eletrônica de potência do NREL, propôs o design achatado que equilibrava desempenho, custo e capacidade de fabricação.

“Nós o achatamos, como uma panqueca”, disse Zhao, “e de repente tivemos um design de baixo custo e alto desempenho que era muito mais fácil de fabricar.”

Joshua Major, também parte da equipe de eletrônica de potência do NREL, desenvolveu novos métodos de fabricação que permitiram que a complexa estrutura fosse produzida usando apenas ferramentas e instalações internas. O resultado foi um projeto que combinou as vantagens elétricas dos sistemas tridimensionais com a praticidade da fabricação plana.

Materiais flexíveis e controle sem fio

O ULIS também se afasta dos materiais convencionais. Os módulos de energia tradicionais ligam o cobre diretamente a bases cerâmicas rígidas para conduzir eletricidade e gerenciar o calor. Embora eficaz, esta abordagem limita a flexibilidade.

Em vez disso, o ULIS liga o cobre a um polímero flexível chamado Temprion. Essa mudança produz uma estrutura mais fina, mais leve e mais adaptável. O material se liga ao cobre usando apenas calor e pressão, e seus componentes podem ser usinados com equipamentos amplamente disponíveis. Como resultado, os custos de fabricação caem para centenas de dólares, em vez de milhares.

Outro grande avanço permite que o ULIS opere sem fio. O módulo pode ser controlado e monitorado sem cabos físicos, funcionando como uma unidade independente. Este design modular semelhante ao Lego permite que ele seja integrado a uma ampla gama de sistemas, desde servidores de data centers até aeronaves e veículos militares avançados. Uma patente para o protocolo de comunicação sem fio de baixa latência, liderado por Sarwar Islam, está atualmente pendente.

Projetado para tecnologias futuras

Embora o ULIS atualmente dependa de semicondutores avançados de carboneto de silício, o design foi construído intencionalmente para evoluir. O módulo pode ser adaptado para futuros materiais semicondutores, incluindo nitreto de gálio e óxido de gálio, que ainda não atingiram uso comercial.

Juntas, essas inovações apoiam um objetivo central. À medida que as sociedades se tornam cada vez mais dependentes de eletricidade fiável, o ULIS foi concebido para proporcionar eficiência sem sacrificar a fiabilidade.

Onde o ULIS pode fazer a maior diferença

Espera-se que o ULIS tenha amplo impacto em vários setores.

Na rede eléctrica dos EUA, a electricidade deve ser convertida em formas utilizáveis ​​antes de chegar aos consumidores. Este processo muitas vezes depende de equipamentos grandes e de baixa frequência que desperdiçam energia. A comutação rápida do ULIS melhora a eficiência, enquanto a sua capacidade de tolerar altas temperaturas pode reduzir os custos de manutenção a longo prazo.

Na aviação, a capacidade do módulo de transportar eletricidade rapidamente e conservar energia permite conversores mais leves e potentes. Isso poderia ajudar a tornar as aeronaves elétricas de decolagem e pouso verticais (eVTOL) mais práticas e comercialmente viáveis.

O ULIS também poderia desempenhar um papel em futuros sistemas de energia de fusão. Embora a fusão comercial continue em desenvolvimento, estes sistemas exigirão componentes de energia pulsada compactos e confiáveis. A indutância ultrabaixa e o design durável do ULIS o tornam adequado para esse desafio.

À medida que as indústrias procuram eletricidade mais fiável, inteligência artificial avançada e veículos de próxima geração, o ULIS está agora disponível para licenciamento.