L'esplosione della domanda energetica globale, alimentata dall'intelligenza artificiale e dall'espansione dei data center, sta mettendo a dura prova le infrastrutture elettriche di tutto il mondo. Mentre governi e industrie si concentrano sulla produzione di nuova energia, un approccio complementare e altrettanto cruciale consiste nell'ottimizzare drasticamente l'efficienza con cui l'elettricità viene convertita e distribuita. In questo scenario, i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory negli Stati Uniti hanno sviluppato un modulo di potenza che promette di rivoluzionare il settore dell'elettronica di potenza, quella branca dell'ingegneria che regola il flusso di corrente tra sistemi diversi.
Il dispositivo, denominato ULIS (Ultra-Low Inductance Smart power module), rappresenta una riprogettazione radicale dell'architettura tradizionale dei moduli di potenza. Invece della consueta struttura a scatola che impila i semiconduttori verticalmente, ULIS adotta un design piatto e ottagonale, simile a un disco. Questa configurazione apparentemente semplice nasconde anni di sviluppo: i primi prototipi esploravano forme tridimensionali complesse, alcune assomiglianti a fiori o cilindri cavi, ma si rivelarono troppo costose da produrre. La svolta è arrivata quando il team ha "schiacciato tutto come una frittella", nelle parole di Shuofeng Zhao, ricercatore NREL che ha progettato l'architettura di cancellazione del flusso magnetico del modulo.
La chiave delle prestazioni eccezionali di ULIS risiede nella sua induttanza parassita estremamente bassa, un parametro tecnico che misura la resistenza interna al rapido cambiamento della corrente elettrica. Nei dispositivi convenzionali, questa resistenza rallenta la commutazione tra stati acceso e spento, limitando l'efficienza della conversione energetica. ULIS riduce questo valore da sette a nove volte rispetto ai più avanzati moduli commerciali attualmente disponibili basati su carburo di silicio. Grazie a questa caratteristica, il dispositivo può commutare la corrente elettrica con velocità straordinaria, convertendo una percentuale molto maggiore dell'energia disponibile in potenza utilizzabile.
Il modulo utilizza semiconduttori in carburo di silicio, materiali che permettono di raggiungere una densità energetica cinque volte superiore rispetto ai design precedenti, occupando al contempo meno spazio fisico. Le specifiche tecniche del prototipo attuale indicano una capacità di 1200 volt e 400 ampere, parametri che lo rendono ideale per applicazioni ad alta potenza come data center, reti elettriche, microreattori nucleari e piattaforme pesanti quali aeromobili di nuova generazione e veicoli militari. Tuttavia, l'architettura è stata progettata con lungimiranza: può essere adattata per semiconduttori futuri come il nitruro di gallio e l'ossido di gallio, quest'ultimo ancora lontano dalla commercializzazione.
Un altro elemento innovativo riguarda i materiali costruttivi. Mentre i moduli tradizionali saldano il rame direttamente su basi ceramiche rigide per condurre elettricità e gestire il calore, ULIS utilizza un polimero flessibile chiamato Temprion. Questo materiale si lega al rame usando solo calore e pressione, senza necessità di processi complessi, e può essere lavorato con attrezzature standard. Il risultato è una struttura più sottile, leggera e adattabile, con costi di produzione che si mantengono nell'ordine delle centinaia di dollari anziché delle migliaia.
La capacità di monitoraggio autonomo rappresenta un ulteriore vantaggio competitivo. ULIS può rilevare il proprio stato operativo e anticipare guasti dei componenti prima che si verifichino, una caratteristica particolarmente critica per applicazioni ad alto rischio. In un aeromobile che opera a 10.000 metri di quota o in un veicolo militare in zona di combattimento, la differenza tra il successo della missione e una perdita catastrofica può dipendere proprio dalla capacità di rilevamento precoce dei malfunzionamenti.
Il team di ricerca ha sviluppato anche un protocollo di comunicazione wireless a bassa latenza che permette al modulo di operare senza collegamenti fisici via cavo, funzionando come unità autosufficiente. Questo design modulare, paragonabile a un sistema di mattoncini componibili, facilita l'integrazione in un'ampia gamma di sistemi. Il brevetto per questa tecnologia di controllo wireless, guidata dal ricercatore Sarwar Islam, è attualmente in fase di approvazione.
Joshua Major, membro del team di elettronica di potenza di NREL, ha sviluppato nuovi metodi di fabbricazione che hanno permesso di produrre questa struttura complessa utilizzando esclusivamente strumenti e facilities interne al laboratorio. Come sottolineato da Khan, "ULIS è stato uno sforzo completamente organico, costruito interamente qui a NREL". Questa approccio integrato ha permesso di combinare i vantaggi elettrici dei sistemi tridimensionali con la praticità della produzione planare.
Le applicazioni potenziali spaziano su molteplici settori strategici. Nella rete elettrica statunitense, l'elettricità deve essere convertita in forme utilizzabili prima di raggiungere i consumatori, un processo che spesso dipende da apparecchiature voluminose a bassa frequenza che dissipano energia. La commutazione rapida di ULIS migliora l'efficienza complessiva, mentre la sua capacità di tollerare temperature elevate potrebbe ridurre significativamente i costi di manutenzione a lungo termine. Nel settore dell'aviazione, la capacità del modulo di trasferire elettricità rapidamente e conservare energia consente convertitori più leggeri e potenti, contribuendo a rendere commercialmente viabili gli aeromobili eVTOL (a decollo e atterraggio verticale elettrico).
Particolarmente intrigante è il potenziale ruolo nei futuri sistemi di energia da fusione. Sebbene la fusione commerciale rimanga ancora in fase di sviluppo, queste centrali richiederanno componenti di alimentazione pulsata compatti e affidabili. L'induttanza ultra-bassa e il design robusto di ULIS lo rendono particolarmente adatto a questa sfida tecnologica.
