Scienza e ricerca

Uno dei sistemi di misura utilizzato per le analisi condotte in questo lavoro

Scienza e ricerca

Efficienza energetica: Unipd e MIT allo studio di tecnologie rivoluzionarie

27 giugno 2017

La società moderna è sempre più dipendente dall’energia elettrica: laptop e tablet sono onnipresenti, impianti fotovoltaici si stanno diffondendo rapidamente, data centers sempre più importanti sono utilizzati da Google e Facebook, ed entro pochi anni si attende la rivoluzione delle auto elettriche.

Per questo, l’efficienza energetica è una delle sfide più importanti a livello globale. Gli ingegneri elettronici non sono più chiamati soltanto a sviluppare nuovi dispositivi tecnologici, ma anche a studiare nuovi materiali, dispositivi e sistemi per migliorare l’efficienza energetica: una sfida appassionante, che sta creando milioni di posti di lavoro.

È proprio nell’ambito dell’efficienza energetica che si colloca una ricerca appena pubblicata dai ricercatori del dipartimento di ingegneria dell’informazione (DEI) in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston: lo studio (M. Ruzzarin et al., Instability of Dynamic-Ron and Threshold Voltage in GaN-on-GaN Vertical Field Effect Transistors, IEEE Trans. Electron Devices, 2017) ha come scopo l’ottimizzazione di un materiale innovativo (il nitruro di gallio) per la conversione efficiente dell’energia.

Detto così può sembrare un concetto molto difficile, cerchiamo di spiegarlo in termini più semplici, a partire dall’esperienza quotidiana. Ogni volta che tocchiamo l’alimentatore del nostro pc, sentiamo che è leggermente caldo. Questo calore si sviluppa perché l’alimentatore (che deve convertire la tensione di rete, 220 V, nella bassa tensione, 19.5 V, necessaria per alimentare il computer) ha un’efficienza limitata, tipicamente intorno all’85-90 %. Ciò significa che circa il 10-15 % dell’energia utilizzata dall’alimentatore viene sprecata nelle cosiddette “perdite di conversione” (in questo caso generando calore), ovvero dissipata nel processo di conversione dell’energia da una forma (220 V, alternata) a un’altra (19.5 V, continua).

Nessuno si preoccupa di questi piccoli sprechi energetici ma quando la dimensione del sistema aumenta le cose diventano problematiche. Se un’auto elettrica ha un motore dal 100 kW, e il convertitore che trasforma l’energia della batteria ha un’efficienza dell’85-90 %, la potenza sprecata nel processo di conversione diventa enorme, circa 10-15 kW (il forno di casa ha un consumo di circa 1.5 kW!). Lo stesso vale per i convertitori di potenza (inverter) degli impianti fotovoltaici e dei server dei data centers.

Se si riuscissero a minimizzare le perdite di conversione, si avrebbe un miglioramento significativo dell’efficienza energetica globale.

I sistemi di conversione dell’energia sono tipicamente basati sulla tecnologia “switching”. Un transistor (switch, o interruttore) è continuamente acceso e spento per trasferire l’energia da una sorgente (la rete elettrica, o la batteria di un’auto) all’utilizzatore (un elettrodomestico, o il motore dell’auto elettrica). Per avere alta efficienza di conversione, questo switch deve essere ideale, e avere resistenza bassissima. In aggiunta, per le future applicazioni negli ambiti del fotovoltaico e delle auto elettriche, questi transistor devono resistere fino a tensioni molto elevate, superiori ai 1.200 V.

Il silicio, materiale alla base dell’elettronica già dagli anni Cinquanta, è stato usato largamente nella conversione dell’energia fino a ora, ma purtroppo ha raggiunto i suoi limiti. Diversi materiali (come il carburo di silicio, il nitruro di gallio, e l’ossido di gallio) sono studiati come valide alternative per la realizzazione di sistemi di conversione dell’energia più efficienti.

Tra questi, il nitruro di gallio è il materiale più promettente, dal momento che permette di realizzare quelli che si chiamano “zero-loss switch” (interruttori a perdite zero): alcuni ricercatori sono già riusciti a realizzare convertitori di potenza con efficienza pari a 99.3 % (praticamente ideali, se confrontati con l’85-90% dei convertitori attuali).

Come tutti i materiali innovativi, anche il nitruro di gallio ha le sue problematiche: non a caso, il premio Nobel per la fisica del 2014 è stato dato a tre ricercatori giapponesi proprio per i loro studi su questo materiale, per l’applicazione nei sistemi LED.

Nello studio appena pubblicato, i ricercatori del DEI e del MIT hanno analizzato i limiti fisici di funzionamento dei transistor basati su nitruro di gallio. I transistor sono stati fabbricati nei laboratori di Tomás Palacios, al MIT, e sono stati caratterizzati e studiati nei laboratori di microelettronica del DEI. I risultati dell’analisi hanno dimostrato che i transistor hanno un ottimo comportamento dinamico, potendo funzionare a frequenze molto elevate senza mostrare degrado significativo. In aggiunta, in questo studio si sono analizzati i processi fisici alla base del degrado di questi transistor innovativi, fornendo linee guida per l’ottimizzazione della tecnologia. In questo modo sarà possibile costruire transistor più affidabili, che potranno trovare applicazione in auto elettriche e impianti fotovoltaici.

Questo studio si inquadra in un insieme più ampio di attività condotte dal DEI, che include anche lavori su innovativi sistemi LED e laser per illuminazione ad alta efficienza (Matteo Meneghini), progetti di ricerca europei (tra cui PowerBase, Enrico Zanoni, INREL-n-POWER, Gaudenzio Meneghesso) per la realizzazione di dispositivi elettronici per la gestione dell’energia, e collaborazioni internazionali con aziende leader nel settore.

Matteo Meneghini