La revista CSIC INVESTIGA recull les investigacions de l'IMB-CNM en energia sobre emmagatzematge i electrificació
El número 3 de la revista CSIC INVESTIGA, coordinada per l'equip de Comunicació del CSIC, se centra en Energia i els reptes actuals que presenta la seva recerca: generació d'energia renovable, conversió de la indústria, emmagatzematge i transformació.
L'últim número de la revista CSIC INVESTIGA se centra en l'Energia i recull investigacions dels grups i els instituts de l'organisme consagrats al seu estudi. L'IMB-CNM és esmentat diverses vegades pels seus treballs en sensors autoalimentats de baix consum, per la recerca de materials que substitueixin el silici o per la indagació en la fiabilitat dels components electrònics. La Sala Blanca, una gran instal·lació on es poden fabricar semiconductors d'aplicació en energia, també es destaca.
CSIC INVESTIGA és una publicació coordinada per l'equip de comunicació del CSIC i té una periodicitat semestral. Cada número s'ocupa d'un dels grans reptes de la societat actual i recull els esforços dels centres i les unitats del CSIC en la matèria.
Cap a una energia neta, segura i eficient
L'article que obre el número resumeix els grans reptes de la societat al camp de l'energia i les investigacions del CSIC en l'àmbit. Xavier Jordà, investigador del grup de Dispositius i Sistemes de Potència i vicedirector de l'institut, fa balanç dels esforços en electrificació industrial per tenir una descarbonització industrial el 2050.
Metalls abundants desafien el liti, rei de l'emmagatzematge d'energia elèctrica
El reportatge sobre l'emmagatzematge d'energia parla sobre els nous metalls que s'utilitzen per obtenir bateries amb més densitat energètica i a preu més econòmic. LIMB-CNM és esmentat per la seva investigació en dispositius portàtils alimentats amb calor. Es tracta d'unes microestructures de silici que aprofiten la temperatura ambient per generar electricitat i alimentar així sensors de baix consum.
És un treball que es realitza al grup MESSI on està involucrat Luis Fonseca, científic del grup i actual director de l'institut. Fonseca declara que "aquesta tecnologia té dos reptes", un és "millorar l'efectivitat tèrmica del dispositiu, és a dir, que tot el gradient tèrmic extern estigui disponible per a la conversió pel material termoelèctric". Per això, utilitzen tècniques d'electrònica impresa i prototipat ràpid.
L'altre repte és ampliar el ventall de materials termoelèctrics compatibles amb el silici més enllà dels nanofils, on es parla de capes primes d'aliatges de silici o d'òxids funcionals. "Unir les tecnologies del silici amb la integració de materials funcionals aliens ha suposat un diàleg entre dos
mons tecnològics diferents: la micronanofabricació i els materials", explica Fonseca a l'article.
Semiconductors per electrificar la indústria i descarbonitzar-la
Aquest reportatge se centra en l'electrònica de potència i la investigació que realitza el grup PDS, Dispositius i Sistemes de Potència, que fa més de 30 anys que explora els semiconductors i és l'únic equip del CSIC consagrat al camp.
Aquesta branca de l'electrònica empra materials com el silici i derivats més eficients per contribuir a la substitució dels combustibles fòssils. L'electrònica de potència és al cor de les turbines eòliques, els cotxes elèctrics o les plaques fotovoltaiques i és fonamental per aprofitar la generació d'energia renovable.
L'IMB-CNM participa en un projecte europeu, iRel40, per millorar la fiabilitat i la vida útil dels components electrònics. L'equip ho fa investigant la detecció de fallades i paràmetres indicadors de degradació a través d'intel·ligència artificial. El perfeccionament del manteniment predictiu del sistema mitjançant l'autocorrecció ajuda a allargar el temps de vida considerablement. L'escassa vida útil d'alguns components electrònics és un dels problemes més estesos a la indústria, obligant a substituir-los i generant residus. Treballs en aquesta línia ajuden a allargar la vida sense canviar els materials o el procés de fabricació.
Xavier Perpiñà lidera la contribució de l'IMB-CNM al projecte i declara que "el desenvolupament de convertidors més compactes i fiables permetrà una ràpida evolució d'alternatives als combustibles fòssils a l'àmbit de la mobilitat, cobrint el transport terrestre urbà i interurbà, aeri i marítim".
L'electrònica de potència busca substituts per al silici (Si) des de fa anys. Aquest material va estar al cor de la revolució microelectrònica i és molt abundant a la Terra, si bé ara es busquen substituts que ofereixin més propietats òptiques i més ample de banda per aguantar freqüències més altes i permetre un disseny més compacte.
El nitrur de gal·li (GaN) és així un prometedor semiconductor que ofereix menys pèrdues d'energia. Ha estat l'element central en la transició de bombetes d'incandescència (prohibides a la Unió Europea des del 2012) cap a sistemes d'il·luminació LED.
Els problemes que presenta la implantació massiva del semiconductor són la gestió tèrmica (refrigeració) i la fiabilitat. Xavier Jordà indica que "els transistors HEMT de nitrur de gal·li són els més ben posicionats per al seu ús en convertidors de potència compactes de molt alta eficiència". Aquests sistemes serien d'ús estès en la generació fotovoltaica o les fonts d'alimentació per a sistemes electrònics.
Un altre semiconductor ben posicionat és el carbur de silici (SiC), que ja es fa servir en cotxes híbrids, elèctrics, transport ferroviari i fonts d'alimentació. Un equip de l'IMB-CNM ha desenvolupat transistors MOSFET (metall-oxid-semiconductor field-effect transistor) sobre substrats de carbur de silici i dispositius d'alta tensió.
El diamant sintètic és un semiconductor que també ofereix millors propietats que el silici. L'IMB-CNM ha col·laborat al primer dispositiu electrònic d'alta potència amb diamant, en el marc del projecte europeu GreenDiamond. El dispositiu compta amb estructura MOS (metall-oxide-silicon transistor) en règim d'inversió i la participació de l'institut es va ocupar d'explorar nous encapsulats, allò que recobreix i protegeix el xip, capaços de suportar les condicions extremes d'aquests dispositius.
Philippe Godignoon va ser l'investigador principal del projecte: "El diamant sintètic és un semiconductor amb banda prohibida que canviarà l'alta potència i dominarà els sistemes energètics de les properes dècades. Aguantarà línies elèctriques de molt alta tensió i corrent".
Sala Blanca del CSIC: fabricació neta
La revista també compta amb un desplegable on es pot veure la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM, una Infraestructura Científica i Tècnica Singular, ICTS, que manté un aire extremadament net per eliminar la presència de pols i partícules. La circulació de l'aire, la temperatura i la humitat són alguns dels paràmetres que es controlen per aconseguir manufacturar dispositius semiconductors. És la principal instal·lació d'Espanya on es fabriquen dispositius i circuits integrats complets.
- 01: Luis Fonseca al Laboratori. IMB-CNM.
- 02: Xavier Jordà i Mariana Raya al Laboratori de Dispositius i Sistemes de Potència. IMB-CNM.
- 03: Xavier Perpiñà al Laboratori de Caracterització Tèrmica. IMB-CNM.
- 04: Dispositius de carbur de silici. IMB-CNM.