La revista CSIC INVESTIGA recoge las investigaciones del IMB-CNM en energía sobre almacenamiento y electrificación
El número 3 de la revista CSIC INVESTIGA, coordinada por el equipo de Comunicación del CSIC, se centra en Energía y los actuales retos que presenta su investigación: generación de energía renovable, conversión de la industria, almacenamiento y transformación.
El último número de la revista CSIC INVESTIGA se centra en la Energía y recoge investigaciones de los grupos e institutos del organismo consagrados a su estudio. El IMB-CNM es mencionado en varias ocasiones por sus trabajos en sensores autoalimentados de bajo consumo, por la búsqueda de materiales que sustituyan al silicio o por la indagación en la fiabilidad de los componentes electrónicos. La Sala Blanca, una gran instalación donde se pueden fabricar semiconductores de aplicación en energía, también se destaca.
CSIC INVESTIGA es una publicación coordinada por el equipo de Comunicación del CSIC y tiene una periodicidad semestral. Cada número se ocupa de uno de los grandes retos de la sociedad actual y recoge los esfuerzos de los centros y unidades del CSIC en la materia.
Hacia una energía limpia, segura y eficiente
El artículo que abre el número resume los grandes retos de la sociedad en el campo de la energía y las investigaciones del CSIC en el ámbito. Xavier Jordà, investigador del grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia y vicedirector del instituto, hace balance de los esfuerzos en electrificación industrial para tener una descarbonización industrial en 2050.
Metales abundantes desafían al litio, rey del almacenamiento de energía eléctrica
El reportaje sobre el almacenamiento de energía habla sobre los nuevos metales que se están utilizando para obtener baterías con mayor densidad energética y a precio más económico. El IMB-CNM es mencionado por su investigación en dispositivos portátiles alimentados con calor. Se trata de unas microestructuras de silicio que aprovechan la temperatura ambiente para la generación de electricidad y alimentar así sensores de bajo consumo.
Es un trabajo que se realiza en el grupo MESSI donde está involucrado Luis Fonseca, científico del grupo y actual director del instituto. Fonseca declara que "esta tecnología tiene dos retos", uno es "mejorar la efectividad térmica del dispositivo, es decir, que todo el gradiente térmico externo esté disponible para su conversión por el material termoeléctrico". Para ello, utilizan técnicas de electrónica impresa y prototipado rápido.
El otro reto es ampliar el abanico de materiales termoeléctricos compatibles con el silicio más allá de los nanohilos, donde se habla de capas delgadas de aleaciones de silicio o de óxidos funcionales. "Aunar las tecnologías del silicio con la integración de materiales funcionales ajenos ha supuesto un diálogo entre dos
mundos tecnológicos diferentes: la micronanofabricación y los materiales", explica Fonseca en el artículo.
Semiconductores para electrificar la industria y descarbonizarla
Este reportaje se centra en la electrónica de potencia y la investigación que realiza el grupo PDS, Dispositivos y Sistemas de Potencia, que lleva más de 30 años explorando los semiconductores y es el único equipo del CSIC consagrado al campo.
Esta rama de la electrónica emplea materiales como el silicio y derivados más eficientes para contribuir a la sustitución de los combustibles fósiles. La electrónica de potencia está en el corazón de las turbinas eólicas, los coches eléctricos o las placas fotovoltaicas y es fundamental para aprovechar la generación de energía renovable.
El IMB-CNM participa en un proyecto europeo, iRel40, para mejorar la fiabilidad y la vida útil de los componentes electrónicos. El equipo lo hace investigando la detección de fallos y parámetros indicadores de degradación a través de inteligencia artificial. El perfeccionamiento del mantenimiento predictivo del sistema mediante la autocorrección ayuda a alargar considerablemente su tiempo de vida. La escasa vida útil de algunos componentes electrónicos es uno de los problemas más extendidos en la industria, obligando a su sustitución y generando residuos. Trabajos en esta línea ayudan a alargar su vida sin cambiar los materiales o el proceso de fabricación.
Xavier Perpiñà lidera la contribución del IMB-CNM al proyecto y declara que "el desarrollo de convertidores más compactos y fiables permitirá una rápida evolución de alternativas a los combustibles fósiles en el ámbito de la movilidad, cubriendo el transporte terrestre urbano e interurbano, aéreo y marítimo".
La electrónica de potencia está buscando sustitutos para el silicio (Si) desde hace años. Este material estuvo en la corazón de la revolución microelectrónica y es muy abundante en la Tierra, si bien ahora se buscan sustitutos que ofrezcan más propiedades ópticas y más ancho de banda para aguantar frecuencias más altas y permitir un diseño más compacto.
El nitruro de galio (GaN) es así un prometedor semiconductor que ofrece menos pérdidas de energía. Ha sido el elemento central en la transición de bombillas de incandescencia (prohibidas en la Unión Europea desde 2012) hacia sistemas de iluminación LED.
Los problemas que presenta la implantación masiva de este semiconductor son la gestión térmica (refrigeración) y la fiabilidad. Xavier Jordà indica que "los transistores HEMT de nitruro de galio son los mejor posicionados para su uso en convertidores de potencia compactos de muy alta eficiencia". Estos sistemas serían de uso extendido en la generación fotovoltaica o las fuentes de alimentación para sistemas electrónicos.
Otro semiconductor bien posicionado es el carburo de silicio (SiC), que ya se emplea en coches híbridos, eléctricos, transporte ferroviario y fuentes de alimentación. Un equipo del IMB-CNM ha desarrollado transistores MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) sobre sustratos de carburo de silicio y dispositivos de alta tensión.
El diamante sintético es un semiconductor que también ofrece mejores propiedades que el silicio. El IMB-CNM ha colaborado en el primer dispositivo electrónico de alta potencia con diamante, en el marco del proyecto europeo GreenDiamond. El dispositivo cuenta con estructura MOS (metal–oxide–silicon transistor) en régimen de inversión y la participación del instituto se ocupó de explorar nuevos encapsulados, aquello que recubre y protege el chip, capaces de soportar las extremas condiciones de estos dispositivos.
Philippe Godignoon fue el investigador principal del proyecto: "El diamante sintético es un semiconductor con banda prohibida que cambiará la alta potencia y dominará los sistemas energéticos de las próximas décadas. Aguantará líneas eléctricas de muy alta tensión y corriente".
Sala Blanca del CSIC: fabricación limpia
La revista también cuenta con un desplegable donde se puede ver la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM, una Infraestructura Científica y Técnica Singular, ICTS, que mantiene un aire extremadamente limpio para eliminar la presencia de polvo y partículas. La circulación del aire, la temperatura y la humedad son algunos de los parámetros que se controlan para conseguir manufacturar dispositivos semiconductores. Es la principal instalación de España en la que se fabrican dispositivos y circuitos integrados completos.
- 01: Luis Fonseca en el Laboratorio. IMB-CNM.
- 02: Xavier Jordà y Mariana Raya en el Laboratorio de Dispositivos y Sistemas de Potencia. IMB-CNM.
- 03: Xavier Perpiñà en el Laboratorio de Caracterización Térmica. IMB-CNM.
- 04: Dispositivos de carburo de silicio. IMB-CNM.