Torce elettriche in corrente continua (DC), smartphone e auto elettriche, ma i principali utenti esperti dipendono dalla corrente alternata (AC), che si accende e si spegne 60 volte al secondo. Tra i motivi:l'AC è semplice da spegnere quando c'è un problema, noto come guasto, come un albero che cade su una linea elettrica.

Ma DC ha vantaggi intrinseci rispetto al suo cugino alternativo, tra questi una maggiore efficienza e la capacità di trasportare più potenza su lunghe distanze. Ciò potrebbe essere sempre più importante in quanto i parchi eolici nelle aree rurali producono l'energia necessaria nei centri abitati. E i futuri aerei e navi elettrici saranno probabilmente alimentati da sistemi CC ad alta densità di potenza.

La corrente alternata può essere interrotta quando il livello di potenza raggiunge lo zero durante un ciclo, il punto di zero-crossing di un'onda sinusoidale, che è la base per gli interruttori che proteggono i moderni sistemi di alimentazione ovunque, dalle sottostazioni alle installazioni domestiche. Senza questi cicli alternati, però, la corrente continua non ha il tempo opportuno per spegnere l'alimentazione.

La nuova tecnologia finanziata da un premio di 3,3 milioni di dollari dal programma BREAKERS di ARPA-E potrebbe aiutare a risolvere questo problema utilizzando innovazioni nell'elettronica di potenza, attuatori piezoelettrici, e nuovi materiali isolanti per rendere fattibili interruttori CC ad alta potenza. I ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Florida State University (FSU) prevedono di consentire velocità di commutazione degli interruttori dieci volte superiori rispetto alle apparecchiature esistenti e di commercializzare la tecnologia attraverso un consorzio di partner industriali.

"Il passaggio da AC a DC, che sta già accadendo, aprirà un nuovo paradigma per la gestione efficiente e controllabile dell'energia nei futuri sistemi elettrici e piattaforme militari, " ha detto Michael "Mischa" Steurer, un membro della facoltà di ricerca presso il Center for Advanced Power Systems della Florida State University. "Ciò sarà reso possibile dagli incredibili sviluppi che sono avvenuti negli ultimi due decenni nell'elettronica di potenza".

L'interruttore ibrido in fase di sviluppo da parte del team di ricerca utilizzerà pile di transistor molto grandi per spegnere la CC quando necessario. I semiconduttori sono meno efficienti nel condurre la corrente rispetto agli interruttori meccanici convenzionali, quindi in condizioni ordinarie, la corrente scorrerà attraverso interruttori meccanici. Ma quando l'alimentazione deve essere spenta, la corrente verrà instradata brevemente attraverso l'elettronica di potenza fino a quando non sarà possibile aprire gli interruttori meccanici.

"Stiamo proponendo un interruttore CC ibrido in cui la corrente avrà due percorsi, " ha spiegato Lukas Graber, un assistente professore presso la Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Georgia Tech. "Un percorso sarà attraverso i semiconduttori, che può interrompere la corrente quando necessario. Il secondo percorso sarà attraverso interruttori meccanici, che fornirà un percorso molto meno resistivo che sarà più efficiente per le normali operazioni."

Nelle comuni applicazioni di elettronica di consumo, i transistor sono troppo piccoli per vedere e gestire solo pochi volt. I transistor che verranno utilizzati nella commutazione CC sono molto più grandi, un centimetro quadrato, e decine o centinaia di essi sarebbero combinati in serie o in parallelo per fornire una capacità sufficiente per la commutazione di migliaia di volt. Dopo che la corrente è stata spostata nel percorso del transistor a stato solido, gli attuatori piezoelettrici separeranno rapidamente i contatti negli interruttori meccanici prima che la corrente aumenti troppo nei transistor. Una volta separato, la corrente attraverso i transistor può essere disattivata.

"Dobbiamo essere estremamente veloci, " Ha detto Graber. "Dobbiamo separare i contatti entro 250 microsecondi e interrompere completamente la corrente entro 500 microsecondi, solo mezzo millisecondo. Per tale motivo, non possiamo utilizzare attuatori a molla o idraulici comuni agli interruttori CA. I dispositivi che si basano sull'effetto piezoelettrico possono farlo per noi".

I ricercatori della Georgia Tech e della FSU hanno sviluppato la proprietà intellettuale per i componenti degli interruttori DC proposti, e lavoreranno insieme per combinare le tecnologie. Il progetto è noto come Efficient DC Interrupter with Surge Protection (EDISON).

"Combineremo i punti di forza di tecnologie significativamente diverse, a stato solido e meccaniche, in un sistema che funziona complessivamente meglio dei suoi singoli componenti, " ha detto Steurer. "I pezzi del sistema devono lavorare insieme senza soluzione di continuità entro mezzo millisecondo per raggiungere il nostro obiettivo".

I ricercatori, tra cui la professoressa associata Maryam Saeedifard, Il preside di VentureLab Jonathan Goldman, e Postdoctoral Fellow Chanyeop Park presso la Georgia Tech e il professor Fang Peng, Facoltà di ricerca Karl Schoder, e l'assistente professore Yuan Li alla FSU, si aspettano di costruire un prototipo che sarà testato presso la struttura di prova da cinque megawatt della FSU entro tre anni. Lo sviluppo e il test saranno effettuati in collaborazione con un team di partner industriali che alla fine trasferiranno gli interruttori CC all'uso commerciale.

La corrente continua potrebbe essere particolarmente utile man mano che aumenta l'energia rinnovabile. Il fotovoltaico a ovest potrebbe ancora generare energia dopo che il sole tramonta a est. Le turbine eoliche potrebbero produrre energia nella parte centrale del paese mentre le nuvole coprono altre parti del paese. La trasmissione di potenza da un luogo all'altro potrebbe quindi diventare più importante.

"Ci sono grandi distanze da colmare con le rinnovabili, " Ha detto Graber. "Quando ripensiamo a come sarà la prossima griglia, La DC potrebbe giocare un ruolo più importante".

Per chi conosce la storia dell'energia elettrica, l'opera apre un nuovo capitolo di una storia che risale a quasi un secolo e mezzo a due degli inventori più celebrati di tutti i tempi.

I relativi meriti di DC contro AC hanno fornito le basi per la "Guerra di Corrente" tra gli inventori Thomas Edison e Nickolas Tesla nel 1880. Edison, un sostenitore della DC, alla fine ha perso contro l'AC di Tesla. Ma se Edison fosse stato in grado di utilizzare la moderna elettronica di potenza, la storia potrebbe essere andata diversamente.

"Edison aveva ragione, ma all'epoca si sbagliava, " Ha detto Graber. "La DC sta tornando forte, e noi faremo una parte per renderlo pratico."