Un innovador módulo de energía promete revolucionar el uso eléctrico global

La demanda global de electricidad ha aumentado de manera significativa, impulsada por centros de datos que requieren grandes cantidades de energía para soportar la inteligencia artificial, así como por la expansión de la manufactura y el transporte electrificado. Para satisfacer esta creciente necesidad, no basta con generar más electricidad; es necesario utilizar los suministros existentes de manera más eficiente.

Un nuevo enfoque para la eficiencia energética

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) desarrollaron un nuevo módulo de energía basado en carburo de silicio, diseñado para mejorar drásticamente la conversión y entrega de electricidad. Este módulo, conocido como ULIS (Ultra-Low Inductance Smart), ofrece una eficiencia récord, una mayor densidad de potencia y un proceso de fabricación que mantiene bajos los costos.

El módulo ULIS, que opera a 1200 voltios y 400 amperios, es adecuado para centros de datos, redes eléctricas, microreactores y plataformas pesadas como aviones de próxima generación y vehículos militares. Gracias a su diseño, logra una densidad de energía cinco veces mayor que los modelos anteriores, ocupando menos espacio y permitiendo la creación de equipos más pequeños, ligeros y eficientes.

La importancia de la inductancia ultra baja

Una de las ventajas clave del ULIS es su inductancia parasitaria excepcionalmente baja, que se refiere a la resistencia que ralentiza los cambios en la corriente eléctrica y limita la conversión eficiente de energía. Este nuevo módulo reduce esta resistencia entre siete y nueve veces en comparación con los módulos de carburo de silicio más avanzados del mercado.

Gracias a su capacidad para cambiar la corriente eléctrica de manera extremadamente rápida y eficiente, el ULIS convierte más electricidad disponible en energía utilizable, lo que permite extraer un valor significativamente mayor del mismo suministro energético. "Consideramos que ULIS es un verdadero avance", afirmó Faisal Khan, investigador principal de electrónica de potencia en el NREL. "Es un módulo de energía ultrarrápido y preparado para el futuro que hará que la próxima generación de convertidores de energía sea más asequible, eficiente y compacta".

Diseñado para la fiabilidad en condiciones extremas

El ULIS no solo se diseñó para la eficiencia, sino también para la fiabilidad en entornos exigentes. Según Khan, el módulo ligero y potente puede monitorear su propia condición y anticipar fallas en los componentes antes de que ocurran. Esta característica es especialmente crítica para aplicaciones de alto riesgo, como la aviación y operaciones militares, donde la detección temprana de fallas puede marcar la diferencia entre el éxito de una misión y una pérdida catastrófica.

"ULIS fue un esfuerzo verdaderamente orgánico, construido completamente en casa aquí en el NREL", comentó Khan. "Estamos muy emocionados de demostrar sus fortalezas en entornos del mundo real".

Un rediseño radical para una fabricación de bajo costo

Gran parte de las mejoras en el rendimiento del ULIS provienen de un diseño físico completamente nuevo. Los módulos de energía tradicionales apilan dispositivos semiconductores dentro de paquetes en forma de caja. En cambio, el ULIS organiza su circuitería en un diseño octagonal plano. Esta estructura en forma de disco permite incluir más componentes en un espacio más reducido, disminuyendo tanto el tamaño como el peso. Al mismo tiempo, su innovadora ruta de corriente minimiza la interferencia magnética, lo que contribuye a una salida eléctrica más limpia y una mayor eficiencia general.

El equipo de investigación exploró conceptos iniciales que incluían formas tridimensionales complejas, pero estas ideas resultaron demasiado costosas o difíciles de fabricar. La solución llegó cuando el equipo simplificó el concepto a una estructura casi bidimensional. Sarwar Islam, otro investigador de electrónica de potencia del NREL, propuso el diseño aplanado que equilibró rendimiento, costo y capacidad de fabricación.

"Lo aplastamos, como un panqueque", explicó Shuofeng Zhao, quien diseñó la arquitectura de cancelación de flujo del ULIS, "y de repente tuvimos un diseño de bajo costo y alto rendimiento que era mucho más fácil de fabricar".

Materiales flexibles y control inalámbrico

El ULIS también se aparta de los materiales convencionales. Los módulos de energía tradicionales unen cobre directamente a bases cerámicas rígidas para conducir electricidad y gestionar el calor. Aunque este enfoque es efectivo, limita la flexibilidad. En cambio, el ULIS une el cobre a un polímero flexible llamado Temprion, lo que produce una estructura más delgada, ligera y adaptable. Este material se une al cobre utilizando solo calor y presión, y sus componentes pueden ser mecanizados con equipos ampliamente disponibles, lo que reduce los costos de fabricación a cientos de dólares en lugar de miles.

Otra gran innovación permite que el ULIS opere de manera inalámbrica. El módulo puede ser controlado y monitoreado sin cables físicos, funcionando como una unidad autónoma. Este diseño modular, similar a piezas de Lego, permite su integración en una amplia gama de sistemas, desde servidores de centros de datos hasta aviones avanzados y vehículos militares. Actualmente, se está tramitando una patente para el protocolo de comunicación inalámbrica de baja latencia, liderada por Islam.

Diseñado para tecnologías futuras

Si bien el ULIS actualmente se basa en semiconductores de carburo de silicio avanzados, su diseño se construyó intencionadamente para evolucionar. El módulo puede adaptarse a futuros materiales semiconductores, incluyendo nitruro de galio y óxido de galio, que aún no han alcanzado el uso comercial.

Estas innovaciones apoyan un objetivo central: a medida que las sociedades se vuelven cada vez más dependientes de una electricidad confiable, el ULIS está diseñado para ofrecer eficiencia sin sacrificar la fiabilidad.

Impacto potencial del ULIS

Se espera que el ULIS tenga un amplio impacto en múltiples sectores. En la red eléctrica de EE. UU., la electricidad debe convertirse en formas utilizables antes de llegar a los consumidores, un proceso que a menudo depende de equipos grandes y de baja frecuencia que desperdician energía. El rápido cambio del ULIS mejora la eficiencia, mientras que su capacidad para tolerar altas temperaturas puede reducir los costos de mantenimiento a largo plazo.

En aviación, la capacidad del módulo para mover electricidad rápidamente y conservar energía permite convertidores más ligeros y potentes, lo que podría ayudar a hacer que los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) sean más prácticos y viables comercialmente.

El ULIS también podría desempeñar un papel en futuros sistemas de energía de fusión, que requerirán componentes de energía pulsada compactos y confiables. La inductancia ultrabaja y el diseño duradero del ULIS lo hacen adecuado para este desafío.

A medida que las industrias buscan electricidad más confiable, inteligencia artificial avanzada y vehículos de próxima generación, el ULIS ya está disponible para licenciamiento.