Un motor eléctrico más ligero y pequeño gracias al carburo de silicio

Un Cessna 337 híbrido realizó un vuelo exitoso en una pista del sur de California. Este tipo de avión, comúnmente utilizado como taxi aéreo entre islas, contaba con un motor de combustión tradicional en la parte delantera y un motor eléctrico en la parte trasera. El motor eléctrico estaba equipado con un inversor experimental de carburo de silicio (sistema de motor) diseñado por el UA Power Group.

El vuelo de prueba demostró que un sistema de motor de carburo de silicio, más pequeño y eficiente, podría reemplazar el sistema tradicional basado en silicio de un avión híbrido. "Fuimos la primera universidad en hacer esto para una aeronave eléctrica híbrida. Eso es un gran logro para nosotros", afirmó Alan Mantooth, profesor distinguido de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de Arkansas y líder del proyecto.

Los resultados del vuelo de prueba, realizado en 2023, fueron publicados en la revista IEEE Transactions on Power Electronics.

Las ventajas del carburo de silicio

Los transistores son la base de los circuitos eléctricos. Actúan como amplificadores o interruptores. Los microchips en nuestros ordenadores y teléfonos inteligentes, por ejemplo, contienen miles de millones de transistores, que se encienden y apagan para crear el lenguaje binario de unos y ceros. Hoy en día, la mayoría de los transistores están hechos de silicio, que se produce al calentar arena purificada.

Un transistor no se apaga y enciende instantáneamente. En la transición entre los dos estados, que dura solo una fracción de segundo, se pierde energía. Esa energía perdida genera calor.

Los transistores hechos de carburo de silicio pueden cambiar 1,000 veces más rápido que los de silicio. La mayor velocidad de conmutación hace que el transistor sea más eficiente, lo que significa que todos los demás componentes, como inductores, transformadores y capacitores, pueden ser drásticamente más pequeños y ligeros.

"Imagina un auto de carreras con un gran motor de 350 que pesa cientos de libras. ¿Qué pasaría si tuvieras esa misma potencia, pero te diera algo que cabría en tu mano?", dijo Chris Farnell, primer autor del artículo y profesor asistente de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación.

El UA Power Group es un líder reconocido en la investigación y aplicación del carburo de silicio.

A pesar de su rendimiento superior, el alto costo del carburo de silicio ha obstaculizado su adopción más amplia.

"El silicio se hace de tierra, y nada es más barato que la tierra", comentó Mantooth.

Sin embargo, el costo de producción del carburo de silicio ha estado disminuyendo. Dado que los transistores de carburo de silicio requieren componentes de soporte más pequeños, el costo de todo el sistema se reduce.

"Si el sistema general se vuelve más barato, entonces a Ford le interesa, a Toyota le interesa. Por eso termina en los automóviles", agregó Mantooth.

Las técnicas de producción actuales para el carburo de silicio tampoco son lo suficientemente avanzadas como para producir económicamente los dispositivos a escala nanométrica necesarios para los microchips de computadora. Este otoño, el UA Power Group abrirá el Laboratorio de Investigación y Fabricación de Carburo de Silicio Multiusuario para avanzar en la investigación sobre la fabricación de microchips de carburo de silicio y servir como un puente entre los investigadores universitarios y los fabricantes de semiconductores.

Los desafíos de la aviación

Para el proyecto del avión, el UA Power Group construyó un inversor basado en carburo de silicio, que convierte la corriente continua de una batería en la corriente alterna necesaria para impulsar un motor. El tamaño reducido de un sistema basado en carburo de silicio es particularmente ventajoso en un avión pequeño, donde el espacio es limitado.

"Puedes quitar cosas y dar a los pasajeros más espacio para las piernas", comentó Farnell.

El menor peso de un sistema de carburo de silicio también significa que el avión utiliza menos energía para despegar y volar.

Los aviones son vehículos desafiantes para los ingenieros eléctricos. Los sistemas eléctricos deben tener soportes mecánicos para resistir las vibraciones y el impacto del aterrizaje.

A mayores altitudes, el aire más seco aumenta la descarga parcial, lo que puede degradar el aislamiento y causar problemas electrostáticos. La mayor velocidad de conmutación del carburo de silicio también crea más interferencia electromagnética, lo que puede afectar otros sistemas en el avión.

El exitoso vuelo de prueba del Cessna 337 demostró que el equipo del UA Power Group superó esos desafíos.

Los investigadores universitarios no suelen probar su trabajo fuera del laboratorio. Incluso si la ciencia no exige una prueba de campo, el UA Power Group ve ventajas en llevar su trabajo a esa etapa cuando es posible.

"Los estudiantes obtuvieron una experiencia inigualable. Tuvieron la oportunidad de hacer ingeniería práctica además de su trabajo científico, y luego consiguieron grandes empleos", concluyó Mantooth.