kourdistoportocali.comNews DeskSiC> Πως ένα "μαγικό υλικό" από εργαστήριο της Tesla θα αλλάξει την παγκόσμια οικονομία

Γράφει ο Amos Zeeberg/Wall Street Journal

SiC> Πως ένα “μαγικό υλικό” από εργαστήριο της Tesla θα αλλάξει την παγκόσμια οικονομία

Η αγορά αυτοκινήτων που χρησιμοποιούν καρβίδιο του πυριτίου θα αυξηθεί στα 5 δισεκατομμύρια δολάρια το 2027

Η ιστορία των σύγχρονων ηλεκτρονικών συχνά ταυτίζεται με την αδιάκοπη εξέλιξη των μικροτσίπ που βασίζονται σε πυρίτιο και τα οποία επεξεργάζονται πληροφορίες στους υπολογιστές, στα τηλέφωνά και, όλο και περισσότερο, σε οτιδήποτε άλλο.

Από τον Amos Zeeberg/Wall Street Journal

Αλλά τα ηλεκτρονικά έχουν επίσης έναν κρίσιμο, λιγότερο διάσημο ρόλο στη σύγχρονη ζωή: Να κατευθύνουν την ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί όλα τα gadget μας. Αυτό το πεδίο, που εύστοχα ονομάζεται «ηλεκτρονικά ισχύος», αλλάζει γρήγορα καθώς οι μηχανικοί μεταβαίνουν σε συσκευές ελέγχου ισχύος που δεν βασίζονται σε τσιπ πυριτίου αλλά σε νέα υλικά που χειρίζονται την ηλεκτρική ενέργεια πιο γρήγορα και αποτελεσματικά.

Ορισμένες νέες συσκευές, της μετά πυριτίου εποχής, χρησιμοποιούνται ήδη και τα ισχυρότερα ηλεκτρονικά ισχύος θα γίνουν πολύ πιο σημαντικά στο μέλλον, καθώς μεγάλο μέρος της οικονομίας μας θα αλλάξει εξαιτίας της χρήσης διαφορετικών ορυκτών καυσίμων στην ηλεκτρική ενέργεια. Σε μια εποχή που οι αλυσίδες εφοδιασμού πυριτίου έχουν τσακιστεί σοβαρά, αυτά τα νεότερα υλικά έχουν ήδη αναπτυχθεί.

Αυτό το κύμα νέων υλικών ξεκίνησε ουσιαστικά από εργαστήριο το 2017, όταν η Tesla αντιμετώπισε μια κομβική στιγμή στην ιστορία της. Η εταιρεία είχε κυκλοφορήσει δύο επιτυχημένα μοντέλα πολυτελών αυτοκινήτων, αλλά στην προσπάθειά της να γίνει μία μεγάλη αυτοκινητοβιομηχανία, έπαιξε στοίχημα το ίδιο το μέλλον της με την κατασκευή ενός φθηνότερου οχήματος μαζικής αγοράς.

Όταν η Tesla κυκλοφόρησε το Model 3, είχε ένα μυστικό τεχνικό πλεονέκτημα έναντι του ανταγωνισμού: Ένα υλικό που ονομάζεται καρβίδιο του πυριτίου.

Ένα από τα βασικά μέρη ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου είναι οι μετατροπείς έλξης, οι οποίοι παίρνουν ηλεκτρική ενέργεια από τις μπαταρίες, τη μετατρέπουν σε διαφορετική μορφή και την τροφοδοτούν στους κινητήρες που περιστρέφουν τους τροχούς. Για να επιτύχουν την επιτάχυνση με την οποία είναι γνωστά τα Tesla, οι μετατροπείς έλξης πρέπει να αντλούν εκατοντάδες κιλοβάτ, δηλαδή αρκετή ισχύ ώστε να παρέχουν ρεύμα σε μια μικρή γειτονιά, ενώ είναι αρκετά αξιόπιστοι προκειμένου να δίνουν στο όχημα ασφάλεια.

Ενώ οι προηγούμενοι μετατροπείς έλξης βασίζονταν στο πυρίτιο, τα Model 3 κατασκευάζονταν από καρβίδιο του πυριτίου ή SiC, μία ένωση που περιέχει πυρίτιο και άνθρακα. Η STMicroelectronics, η ευρωπαϊκή εταιρεία που παρήγαγε τα τσιπ καρβιδίου του πυριτίου που χρησιμοποίησε η Tesla, ισχυρίζεται ότι θα μπορούσαν να αυξήσουν το εύρος χιλιομέτρων ενός οχήματος έως και 10%, εξοικονομώντας παράλληλα σημαντικό χώρο και βάρος, πολύτιμα οφέλη στον σχεδιασμό του αυτοκινήτου.

«Το Model 3 έχει έναν παράγοντα αντίστασης αέρα τόσο χαμηλό όσο και ενός σπορ αυτοκινήτου», ανέφερε στο Nikkei Asia ο Masayoshi Yamamoto, μηχανικός του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια, ο οποίος ανακατασκευάζει ηλεκτρικά αυτοκίνητα. «Η εξέλιξη των μετατροπέων επέτρεψε τη βελτιστοποιημένη σχεδίασή τους».

Το Model 3 ήταν μια μεγάλη εμπορική επιτυχία, εν μέρει χάρη στα πρωτοποριακά ηλεκτρονικά του, και έδειξε ότι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε μεγάλη κλίμακα (επίσης, έκανε την Tesla μία από τις πιο πολύτιμες σε αξία εταιρείες στον κόσμο).

Τρίτη 17 Μαίου 2022. Το Κουρδιστό Πορτοκάλι “καταδιώκει” μία Τesla στον οδικό άξονα που συνδέει το Tel Aviv με την Haifa

 

«Η Tesla έκανε μία εκπληκτική κίνηση», δήλωσε η Claire Troadec, αναλύτρια στη Yole Developpement, μια εταιρεία έρευνας και συμβούλων υψηλής τεχνολογίας στη Γαλλία, αναφερόμενη στη στροφή της εταιρείας στο καρβίδιο του πυριτίου. «Αυτό που έκαναν σε ενάμιση χρόνο ήταν πραγματικά εκπληκτικό» πρόσθεσε.

Με τη γρήγορη άνοδο της Tesla, άλλες αυτοκινητοβιομηχανίες κινήθηκαν επιθετικά για να εξηλεκτρίσουν τους στόλους τους, ωθούμενοι, σε πολλές περιπτώσεις, από κυβερνητικές εντολές. Πολλές από αυτές σχεδιάζουν επίσης να χρησιμοποιήσουν καρβίδιο του πυριτίου όχι μόνο σε μετατροπείς έλξης αλλά και σε άλλα ηλεκτρικά εξαρτήματα, όπως σε μετατροπείς DC/DC, που τροφοδοτούν τον κλιματισμό και τους φορτιστές οι οποίοι επαναφορτίζουν τις μπαταρίες όταν ένα αυτοκίνητο είναι συνδεδεμένο στην πρίζα, στο σπίτι. Το καρβίδιο του πυριτίου κοστίζει πολύ περισσότερο από το πυρίτιο, αλλά πολλοί κατασκευαστές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα οφέλη υπερβαίνουν την υψηλότερη τιμή.

Τον περασμένο μήνα, η Wolfspeed, ένας κατασκευαστής ημιαγωγών, άνοιξε ένα «fab» ή εργοστάσιο κατασκευής καρβιδίου του πυριτίου 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων στα βόρεια της Νέας Υόρκης. Η εταιρεία, με έδρα τη Βόρεια Καρολίνα, έχει συνάψει συμφωνίες για την προμήθεια υλικού στη General Motors, μεταξύ άλλων αγοραστών.

Οι πελάτες ηλεκτρονικών οχημάτων «ψάχνουν για μεγαλύτερη αυτονομία», δήλωσε ο Shilpan Amin, ο αντιπρόεδρος της GM. «Βλέπουμε το καρβίδιο του πυριτίου ως ένα απαραίτητο υλικό στο σχεδιασμό των ηλεκτρονικών ισχύος μας» πρόσθεσε.

Μια κρίσιμη χρονιά για τα ηλεκτρικά οχήματα

Καθώς η συνολική αγορά αυτοκινήτων παραμένει στάσιμη, η δημοφιλία των αυτοκινήτων με μπαταρίες αυξάνεται στα ύψη παγκοσμίως.

Η κυβερνήτης της Νέας Υόρκης Kathy Hochul μίλησε πρόσφατα στα εγκαίνια του εργοστασίου της Wolfspeed, αναφέροντας χαρακτηριστικά, «υπάρχει ένα μικρό μέρος μακριά που ονομάζεται Silicon Valley. Έχετε ακούσει ποτέ για αυτό; Ναι, είναι κάπως υπερεκτιμημένο», σημείωσε με χιούμορ. «Θέλω να είμαι η πρώτη που θα σας καλωσορίσω στο Silicon Carbide Valley, γιατί αυτό είναι το μέλλον».

Εκτός από την τοπική ενίσχυση της αγοράς, το πυρίτιο θα συνεχίσει να κυριαρχεί στη βιομηχανία ημιαγωγών αξίας μισού τρισεκατομμυρίου δολαρίων, συμπεριλαμβανομένων των βασικών αγορών επεξεργαστών και τσιπ μνήμης.

Αλλά ως προς τα ηλεκτρονικά ισχύος, τα οποία έχουν πωλήσεις περίπου 20 δισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως, το καρβίδιο του πυριτίου κάνει ήδη ηχηρή την παρουσία του. Η Yole Developpement προβλέπει ότι η αγορά αυτοκινήτων που χρησιμοποιούν καρβίδιο του πυριτίου θα αυξηθεί στα 5 δισεκατομμύρια δολάρια το 2027 από τα λίγο παραπάνω από το 1 δισεκατομμύριο δολάρια που είναι σήμερα. «Δεν θα είχαμε τέτοια έκρηξη στην αγορά ηλεκτρικών οχημάτων χωρίς καρβίδιο του πυριτίου», δήλωσε ο Edoardo Merli, στέλεχος της STMicroeletronics.

Καλύτερα δομικά στοιχεία

Το πυρίτιο και το καρβίδιο του πυριτίου είναι πολύτιμα υλικά στα ηλεκτρονικά επειδή είναι ημιαγωγοί: Μπορούν να αλλάξουν σε επίπεδο χρήσης, δηλαδή από το να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρικοί αγωγοί, όπως είναι τα μέταλλα, αλλά και ως μονωτές, όπως τα περισσότερα πλαστικά. Αυτή η ικανότητα καθιστά τους ημιαγωγούς βασικά υλικά για τα τρανζίστορ, τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της σύγχρονης ηλεκτρονικής.

Το καρβίδιο του πυριτίου διαφέρει από το πυρίτιο στο ότι έχει μεγάλο διάκενο ζώνης, που σημαίνει ότι απαιτεί περισσότερη ενέργεια για την εναλλαγή μεταξύ των δύο καταστάσεων. Οι ημιαγωγοί ευρείας ζώνης, ή WBG, διαθέτουν μεγαλύτερο πλεονέκτημα στα ηλεκτρονικά ισχύος, επειδή μπορούν να μεταφέρουν περισσότερη ισχύ πιο αποτελεσματικά.

Ωστόσο, το καρβίδιο του πυριτίου στους ημιαγωγούς ευρείας ζώνης (WBG) έχει αναπτυχθεί ως υλικό τρανζίστορ για δεκαετίες. Εκείνη την εποχή, οι μηχανικοί άρχισαν να χρησιμοποιούν νεότερα υλικά WBG, όπως το νιτρίδιο του γαλλίου ή το GaN.

Στη δεκαετία του 1980, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νιτρίδιο του γαλλίου για να δημιουργήσουν τα πρώτα φωτεινά μπλε LED στον κόσμο. Το μπλε φως περιλαμβάνει φωτόνια υψηλής ενέργειας. Το νιτρίδιο του γαλλίου, με το ευρύ διάκενο ζώνης του, ήταν ο πρώτος ημιαγωγός που μπορούσε πρακτικά να παράγει φωτόνια με επαρκή ενέργεια. Το 2014, τρεις επιστήμονες τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για αυτήν την καινοτομία, η οποία έγινε πανταχού παρούσα σε συσκευές όπως οι οθόνες τηλεόρασης και οι λαμπτήρες.

Πρόσφατα, οι ερευνητές άρχισαν να χρησιμοποιούν νιτρίδιο γαλλίου για να βελτιώσουν τα ηλεκτρονικά ισχύος. Το υλικό έφτασε στο εμπόριο τα τελευταία χρόνια σε προσαρμογείς για τη φόρτιση τηλεφώνων και υπολογιστών. Αυτοί οι προσαρμογείς είναι μικρότεροι, ελαφρύτεροι, πιο γρήγοροι και πιο αποτελεσματικοί από τους παραδοσιακούς που χρησιμοποιούν τρανζίστορ πυριτίου.

«Ένας τυπικός φορτιστής που αγοράζετε για τον υπολογιστή σας είναι 90% αποδοτικός», δήλωσε ο Jim Witham, διευθύνων σύμβουλος της GaN Systems, μιας καναδικής εταιρείας που προμήθευε τα τρανζίστορ στους φορτιστές φορητών υπολογιστών νιτριδίου γαλλίου της Apple, οι οποίοι κυκλοφόρησαν το περασμένο φθινόπωρο. «Το νιτρίδιο του γαλλίου είναι 98% αποτελεσματικό. Μπορείτε να μειώσετε τις απώλειες ρεύματος κατά τέσσερις φορές».

Η Yole Developpement εκτιμά ότι η αγορά νιτριδίου του γαλλίου θα αυξηθεί στα 2 δισεκατομμύρια δολάρια το 2027 από το σύνολο των περίπου 200 εκατομμυρίων δολαρίων φέτος.

Υλικά ευρείας ζώνης ανοίγουν το δρόμο και σε άλλες εφαρμογές. Τα Data centers, τα κέντρα δεδομένων, οι μεγάλες εγκαταστάσεις που είναι γεμάτες με διακομιστές υπολογιστών που εκτελούν τις διαδικτυακές υπηρεσίες από τις οποίες εξαρτόμαστε όλοι, είναι διαβόητοι χρήστες ηλεκτρικής ενέργειας.

Η Compuware, προμηθευτής τροφοδοτικών υψηλής τεχνολογίας σε Data centers, αναφέρει ότι τα τροφοδοτικά της, που βασίζονται σε νιτρίδιο γαλλίου, μειώνουν τη σπατάλη ηλεκτρικής ενέργειας κατά περίπου 25% και καταλαμβάνουν 20% λιγότερο χώρο από τις συμβατικές συσκευές, επιτρέποντας στους χρήστες να χρησιμοποιούν περισσότερους διακομιστές στα ίδια ράφια. Η εταιρεία λέει επίσης ότι τα τροφοδοτικά νιτριδίου του γαλλίου χρησιμοποιούνται σε κέντρα δεδομένων που διαχειρίζονται μεγάλες εταιρείες σε όλο τον κόσμο.

Οι μηχανικοί εργάζονται επίσης για τη χρήση υλικών WBG για την καλύτερη αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα ηλιακά κύτταρα και οι ανεμογεννήτριες βασίζονται σε μετατροπείς για την τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα σπίτι ή στο δίκτυο, και πολλές εταιρείες αναμένουν ότι το νιτρίδιο του γαλλίου θα κάνει αυτή τη δουλειά καλύτερα από το πυρίτιο.

Η Enphase, ένας προμηθευτής μετατροπέων στον τομέα της ηλιακής ενέργειας, τεστάρει επί του παρόντος μετατροπείς με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου προκειμένου να βεβαιωθεί ότι μπορούν να αντέξουν για δεκαετίες τις δύσκολες καιρικές συνθήκες σε εξωτερικούς χώρους.

Σε δοκιμές, η Enphase βυθίζει τους μετατροπείς κάτω από το νερό μέσα σε μια χύτρα ταχύτητας, βάζει τη χύτρα ταχύτητας μέσα σε έναν σφραγισμένο θάλαμο και ταλαντώνει τη θερμοκρασία μεταξύ 185 βαθμών και μείον 40 βαθμών Fahrenheit κατά τη διάρκεια 21 ημερών. Εάν οι συσκευές νιτριδίου του γαλλίου επιβιώσουν των προκλήσεων, ο συνιδρυτής της Enphase, Raghu Belur, σχεδιάζει να κάνει μια γρήγορη αλλαγή στο νέο υλικό. «Είναι απολύτως προσανατολισμένο προς αυτή την κατεύθυνση», είπε.

Σε μια συνάντηση επενδυτών πέρυσι, ένας ανώτερος μηχανικός της Enphase έδωσε μια πιο πειστική πρόβλεψη, λέγοντας: «Είναι το τέλος του δρόμου για το πυρίτιο».

Ο κύκλος των κύκλων ζωής

Ακόμη και καθώς οι εταιρείες αναβαθμίζουν τις συσκευές τους με καρβίδιο του πυριτίου και νιτρίδιο του γαλλίου, οι ερευνητές αναπτύσσουν νέα υλικά WBG που θα μπορούσαν να βελτιώσουν περαιτέρω τα ηλεκτρονικά ισχύος.

Το 2012, ο Masataka Higashiwaki, ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Πληροφοριών και Επικοινωνιών της Ιαπωνίας, ανακοίνωσε ένα πολλά υποσχόμενο τρανζίστορ κατασκευασμένο από οξείδιο του γαλλίου, ένα υλικό με διάκενο πολύ υψηλότερο από εκείνο του καρβιδίου του πυριτίου και του νιτριδίου του γαλλίου.

Τα υλικά που κατασκευάζονται από οξείδιο του γαλλίου «μπορούν να παρέχουν πολύ μικρότερες απώλειες» από εκείνα που κατασκευάζονται από πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου και νιτρίδιο του γαλλίου «με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση», ανέφερε ο Δρ Higashiwaki. Οι επιστήμονες έχουν σημειώσει γρήγορη πρόοδο στην ανάπτυξη του υλικού. Ο Δρ Higashiwaki αναμένει ότι, κατά την επόμενη δεκαετία, θα αρχίσει να εμφανίζεται σε προϊόντα όπως οι βελτιωμένοι μετατροπείς πρόσφυσης ηλεκτρονικών αυτοκινήτων.

Αλλά όπως είναι η καινοτομία, υπάρχει ήδη κάτι ακόμα καλύτερο που αστράφτει στον ορίζοντα. «Το διαμάντι είναι το απόλυτο υλικό υπερευρείας ζώνης», ανέφερε η Troadec, αν και θα περάσει αρκετός καιρός μέχρι να καταφέρει κάποιος να μετατρέψει αυτόν τον εξαιρετικά πολύτιμο πολύτιμο λίθο σε έναν εξαιρετικά πολύτιμο ημιαγωγό.

SHARE

Περισσότερα

MORE NEWS DESK

TOP LINE

Ο Αλέξης Τσίπρας στο πλευρό του Αθανασίου Πλεύρη και εναντίον των εξαθλιωμένων υγειονομικών
40.000 ελληνικές οικογένειες περιμένουν κάποιον δικό τους που δεν θα επιστρέψει ποτέ στο σπίτι
Μαρία Δεναξά> Κι όμως ο Τσιτσιπάς είπε το αυτονόητο
Mνήμες από τις πιο σκοτεινές μέρες διακυβέρνησης του ΣΥΡΙΖΑ ξύπνησε η συνέντευξη Μιωνή στον ΑΝΤ1
Δημοσκόπηση Marc> 10 μονάδες η διαφορά ΝΔ-ΣΥΡΙΖΑ και μάλιστα με αυξητικές τάσεις
O Kωνσταντίνος Τζούμας έφυγε ξαφνικά μετά την ξαφνική επιστροφή του καρκίνου που είχε νικήσει ήδη από το 2004
ISRAEL>COVID-19 vaccine reduces sperm concentration, but effect is only temporary
Μα πού πρέπει να απλώσω την πετσέτα θαλάσσης μου;
Nίκος Δένδιας> Ο δρόμος μπροστά μας είναι εξαιρετικά μακρύς και γεμάτος εμπόδια
To Aνώτατο Δικαστήριο των ΗΠΑ επιχειρεί να διασώσει τα κουνούπια (fan club του dj Valentino) από την μαζική εξόντωση και τη προθυμία αυτοχειρίας τους
Matt Ridley> A whistleblower with good information could yet come forward
New York Times> Γιατί οι πλούσιοι Νεοϋορκέζοι εγκαταλείπουν την παγκόσμια πρωτεύουσα του πλανήτη