All'interno della tua casa e del tuo ufficio, la corrente alternata (AC) a bassa tensione alimenta le luci, computer e dispositivi elettronici per l'uso quotidiano. Ma quando l'elettricità proviene da fonti remote a lunga distanza come l'energia idroelettrica o gli impianti di generazione solare, trasportarlo come corrente continua (CC) è più efficiente e riconvertirlo in corrente alternata richiede interruttori ingombranti e costosi. Ora la società General Electric (GE), con l'assistenza di scienziati presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), sta sviluppando un interruttore avanzato che convertirà la corrente CC ad alta tensione in corrente CA ad alta tensione per i consumatori in modo più efficiente, consentendo la trasmissione a costi ridotti di energia a lunga distanza. Come passo finale, le sottostazioni lungo il percorso riducono la corrente alternata ad alta tensione a corrente a bassa tensione prima che raggiunga i consumatori.

GE sta testando un tubo riempito di plasma, lo stato carico della materia composto da elettroni liberi e ioni che PPPL studia per comprendere l'energia di fusione e un'ampia gamma di processi, che l'azienda sta sviluppando come dispositivo di conversione. L'interruttore deve essere in grado di funzionare per anni con una tensione fino a 300 kilovolt per consentire a una singola unità di sostituire in modo conveniente i gruppi di interruttori a semiconduttore di potenza ora necessari per convertire tra alimentazione CC e CA lungo le linee di trasmissione.

Commutatore modelli PPPL

Poiché testare un interruttore al plasma ad alta tensione è lento e costoso, GE si è rivolta a PPPL per modellare l'interruttore e dimostrare come l'elevata corrente influisca sul gas elio che l'azienda utilizza all'interno del tubo. La simulazione ha modellato la rottura, o ionizzazione, del gas, producendo nuove informazioni sulla fisica del processo, che gli scienziati hanno riportato in un articolo accettato sulla rivista Scienza e tecnologia delle sorgenti di plasma . I risultati si basano su un documento PPPL del 2017 pubblicato sulla rivista Fisica dei Plasmi che ha modellato l'effetto della rottura dell'alta tensione senza presentare una teoria analitica.

La ricerca precedente ha studiato a lungo la rottura a bassa tensione dei gas. Ma "GE ha a che fare con una tensione molto più alta, " ha detto Igor Kaganovic, vice capo del dipartimento di teoria del PPPL e del laboratorio del plasma a bassa temperatura del PPPL e coautore dei due articoli. "Il meccanismo di rottura a bassa pressione e ad alta tensione è stato poco compreso a causa della necessità di considerare nuovi meccanismi di ionizzazione del gas ad alta tensione, che è quello che abbiamo fatto".

I risultati hanno identificato tre diversi regimi di rottura che diventano importanti quando si usa l'alta tensione per trasformare l'elio in plasma. In questi regimi, elettroni, gli ioni e gli atomi neutri veloci iniziano la rottura retro-diffusione, o rimbalzando, sugli elettrodi attraverso i quali scorre la corrente. Questi risultati contrastano fortemente con la maggior parte dei modelli precedenti, che considerano solo l'impatto degli elettroni sul processo di ionizzazione.

Risultati utili per GE

I risultati si sono rivelati utili per GE. "Le potenziali applicazioni del cambio gas dipendono dalla sua massima tensione possibile, " ha detto il fisico GE Timothy Sommerer, chi dirige il progetto. "Abbiamo già dimostrato sperimentalmente che un cambio di gas può funzionare a 100 kilovolt e ora stiamo lavorando per testare a 300 kilovolt. I risultati del modello PPPL sono sia scientificamente interessanti che favorevoli per la progettazione di interruttori di gas ad alta tensione".