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Si chiama nitruro di gallio (in inglese gallium nitride, GaN) e potrebbe rivoluzionare il modo in cui usiamo l'energia, far fare un grosso salto in avanti al settore dell'automobilismo e, soprattutto, farci risparmiare soldi sulla bolletta elettrica. È un semiconduttore, come il silicio usato in tutti i chip dai quali siamo ormai circondati, ma ha caratteristiche molto più pregiate e, a parità di applicazione, i dispositivi in GaN sono migliori per diverse caratteristiche rispetto a quelli in silicio tradizionale.
Tanto che già oggi il nitruro di gallio inizia a diffondersi soprattutto nelle componenti elettriche per la conversione di potenza. Il prossimo passo, invece, è quello di usarlo anche sulle auto elettriche per aumentarne prestazioni e autonomia, a parità di batteria. L'unico materiale che oggi sembra poter tenere testa al GaN è il SiC, il carburo di silicio.
GaN: il semiconduttore delle meraviglie
Cosa ha di così speciale il GaN rispetto al silicio tradizionale? Principalmente la capacità di essere attraversato da una grande quantità di energia senza riscaldarsi molto. Uno dei principali problemi del silicio, infatti, è che dissipa nell'ambiente una gran quantità di calore. E, infatti, le CPU e le GPU realizzate in silicio che troviamo nei nostri computer sono sempre sormontate da un grosso dissipatore dotato di ventola, proprio per spostare tutto il calore prodotto lontano dai chip. Altrimenti rischierebbero di fondere.
Il fatto che i componenti elettronici in GaN producono meno calore vuol dire anche che sprecano meno energia: tutto il calore prodotto dai chip in silicio, infatti, non è altro che energia elettrica sprecata. Poter creare chip e componenti più freddi, inoltre, permette ai costruttori di risparmiare soldi e spazio usando dissipatori dalle dimensioni inferiori.
Il nitruro di gallio nei dispositivi elettrici
Molti alimentatori per laptop e caricatori per smartphone e tablet iniziano oggi a integrare componenti in nitruro di gallio. Già nel 2018, ad esempio, Anker ha presentato il PowerPort Atom PD 1, un caricatore USB-C molto piccolo (4x4,5x3,8 centimetri) ma in grado di erogare ben 30 Watt di potenza senza surriscaldare minimamente. Il segreto di questo caricabatterie sta proprio nel GaN, il nitruro di gallio usato al posto del silicio che permette a questo caricatore di trasferire molta più energia senza sprecarne altrettanta in calore.
Il RAVPower GaN Tech è un altro alimentatore al nitruro di gallio: è grande 7,2x5,4x1,4 centimetri ed eroga 45 Watt di potenza. L'Aukey PA-D4, invece, eroga 60 Watt e misura 6,4x6x2,9 cm. Una rivoluzione del genere sta accadendo anche nel settore degli alimentatori per computer portatili, dove il peso e le dimensioni contano moltissimo, ma anche in quello degli alimentatori per destkop ad alte prestazioni, dove ridurre il calore è una priorità. Tutto questo è possibile grazie al nitruro di gallio.
GaN sulle auto elettriche
Il 4 marzo 2020 la famosa multinazionale dell'automotive Magneti Marelli ha annunciato un accordo di collaborazione biennale con Transphorm Inc., azienda americana titolare di diversi brevetti sull'uso del GaN nei componenti per auto elettriche e ibride. In particolar modo inverter, caricatori di bordo e convertitori di potenza. Nel settore della mobilità elettrica il nitruro di gallio potrebbe rappresentare una rivoluzione altrettanto grande di quella già in atto nel mondo dell'elettronica.
Tutte le componenti di una auto elettrica o ibrida che devono trasferire potenza dalla batteria alle ruote, o dalla colonnina di ricarica alla batteria, potrebbero trarre grandi benefici dalla sostituzione del tradizionale silicio con il GaN: meno calore, meno spreco di energia (e quindi più autonomia dell'auto), sistemi di raffreddamento più piccoli, compatti, leggeri ed economici. E, tra le altre cose, avere meno peso su una auto elettrica aumenta ulteriormente la quantità di chilometri che il veicolo può percorrere con una sola carica di batteria. Poter trasferire tanta energia elettrica sviluppando poco calore, poi, è molto utile sulle auto elettriche sportive, mentre poter contare su circuiti stabili anche ad alto voltaggio permette di ricaricare l'auto più velocemente.
Risparmiare con il nitruro di gallio
Oggi creare il GaN costa di più del silicio, in qualunque applicazione lo si voglia usare. Ma i risparmi indiretti derivanti dall'uso del nitruro di gallio superano di gran lunga i maggiori costi di produzione. Secondo una ricerca recente dell'Università di Harvad, infatti, l'uso del nitruro di gallio al posto del silicio può portare a consumi elettrici inferiori del 10-25% (in base al tipo di applicazione). Questo vuol dire che se tutti i dispositivi elettronici del mondo fossero convertiti al GaN il loro consumo elettrico globale potrebbe scendere di molto. E, se scende il consumo, scende anche la bolletta.
Nitruro di gallio vs carburo di silicio
C'è un altro materiale che ha caratteristiche tecniche molto simili al GaN: è il SiC, il carburo di silicio (Silicon Carbide). Tutti i vantaggi già elencati per il nitruro di gallio li ritroviamo anche nel SiC, tanto è vero che oggi scienziati e industria elettronica si chiedono seriamente se è meglio il GaN o il SiC. La scommessa è grande e, al momento, entrambe le tecnologie hanno la possibilità di conquistare grosse fette di mercato. Solo il tempo, però, ci potrà dire se l'elettronica del futuro sarà a base di GaN, di SiC o di un po' di entrambi.
29 marzo 2020
