جهانی بدون کربن با مهندسی الکترونیک

به گفته محققان با پیشرفت علمی مهمی که صورت گرفته است می‌توان افزاره‌های الکترونیکی را سریع‌تر، مطمئن‌تر و به طور چشم‌گیری کم‌مصرف‌تر کرد تا نوع بشر بتواند به سوی آینده پاک‌تری گام بردارد.

این تحول که گروهی تحقیقاتی از دانشگاه بریستول سردمدار آنند مبتنی بر دو پیشرفت است: یکی مواد نیم‌رسانای جدیدی است که می‌توانند جریان‌های الکتریکی را مهار کنند و دیگری روش جدید و دقیقی برای اندازه‌گیری از راه دور میدان‌های الکترونیکی است.

نیم‌رسانا‌هایی مثل سیلیسیم در افزاره‌های الکترونیکی و قطعات اساسی مثل ترانزیستور و دیود کاربرد گسترده‌ای دارند. اما طراحی نیم‌رسانا‌ها تاکنون آمیزه‌ای از آزمایش و خطا و استفاده از شبیه‌سازی‌های نادقیق برای برآورد واکنش مواد درون افزاره‌های الکترونیکی به هنگام کار بوده است.

اغلب میزان دقت این شبیه‌سازی‌ها مشخص نبوده است و در نتیجه مهندسان ناچار بوده‌اند مقدار انرژی بیشتری برای مصرف در نظر بگیرند. اما در این روش جدید می‌توان چگونگی واکنش نیم‌رسانا‌ها را به دقت معین کرد و در نتیجه چگونگی استفاده از اجزا را با دقت تازه‌ای به دست آورد و کارایی آن‌ها را به میزان بسیار بیشتری افزایش داد.

مارتین کوبال، استاد ارشد دانشکده فیزیک دانشگاه بریستول، می‌گوید: «با استفاده از نیم‌رسانا‌ها می‌توان بار‌های مثبت یا منفی را هدایت کرد و بنابراین آن‌ها را طوری طراحی کرد که بتوان جریان الکتریکی را مدوله‌سازی (یکی از مراحلی است که برای انتقال موثر و مطمئن اطلاعات در فرستنده صورت می‌پذیرد) و دستکاری کرد.

اما این افزاره‌های نیم‌رسانا محدود به سیلیسیم نیستند و مواد بسیار دیگری مثل نیترید گالیم (مورد استفاده در دیود‌های نوری آبی) چنین کاربردی دارند. این افزاره‌های نیم‌رسانا برای مثال جریان متناوب سیم برق را به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند و در این تبدیل مقداری از انرژی به صورت اتلاف گرمایی هدر می‌رود.

برای مثال قسمت تغذیه در رایانه‌های کیفی ما به همین دلیل گرم یا حتی داغ می‌شود. اگر بتوانیم کارایی را افزایش دهیم و این اتلاف گرمایی را کاهش دهیم در مصرف انرژی صرفه‌جویی ایجاد می‌شود.»

او افزود: «وقتی به افزاره‌ای الکترونیکی ولتاژ می‌دهیم جریان خروجی ایجاد می‌شود که می‌توان به کار گرفت. درون افزاره الکترونیکی هم میدانی الکتریکی پدید می‌آید که چگونگی کارکرد این افزاره، مدت بهره‌برداری از آن و میزان مطلوبیت بهره‌برداری از آن را مشخص می‌کند.

این میدان الکتریکی که این‌همه در بهره‌برداری از افزاره‌ها نقش اساسی دارد به دقت قابل اندازه‌گیری نیست. همیشه باید به شبیه‌سازی متوسل شد که چندان مطمئن نیست مگر آنکه بتوانیم دقت آن را بیازماییم.»

این گروه تحقیقاتی می‌گوید برای بیشینه‌سازی کارایی افزاره‌ها و تضمین کردن ماندگاری آن‌ها باید از این مواد جدید استفاده کرد و طرحی بهینه پیدا کرد که در آن میدان‌های الکتریکی از مقادیر بحرانی فراتر نروند تا دچار آسیب یا خرابی نشوند.

اگر به جای سیلیسیم از نیترید گالیم و اکسید گالیم استفاده کنیم می‌توان از مدار‌ها در بسامد‌های بالاتر و ولتاژ‌های بالاتر استفاده کرد و راه برای انواع جدیدی از مدار‌ها باز می‌شود که اتلاف کلی انرژی را کاهش می‌دهند. با پدید آمدن ابزار‌های نوری می‌توان میدان الکتریکی درون این افزاره‌های جدید را نیز مستقیما اندازه‌گیری کرد.

به گفته این محققان با استفاده از این اندازه‌گیری دقیق می‌توان الکترونیک قدرت کارآمدی برای آینده پایه‌ریزی کرد و در کاربرد‌هایی مثل شبکه‌های ملی نیروگاه‌های برق خورشیدی یا بادی و همچنین هواپیماها، قطار‌ها و خودرو‌های برقی به کار گرفت.

کاهش اتلاف انرژی به این معنا است که در گام نخست دیگر نیازی نیست تا جوامع بشری انرژی زیاد تولید کنند. استاد کوبال می‌گوید: «با توجه به آنکه این افزاره‌ها در ولتاژ‌های بالاتر کار می‌کنند میدان الکتریکی‌شان هم قوی‌تر است و آسان‌تر دچار ایراد می‌شود.».

اما او افزود: «با روش جدیدی که پدید آورده‌ایم می‌توان کمیت میدان‌های الکترونیکی درون افزاره‌ها را مشخص کرد و شبیه‌سازی افزاره‌ها را با دقت بیشتری انجام داد. در نتیجه می‌توان افزاره‌های الکتریکی را طوری طراحی کرد که میدان‌های الکتریکی از حدود بحرانی فراتر نروند و دچار ایراد نشوند.»

این گروه تحقیقاتی برای به بازاررسانی این فناوری جدید با صنایع و سایر دانشگاهیان در حال همکاری‌اند و می‌گویند در حال همکاری با مرکز اولترای وزارت انرژی ایالات متحده در چارچوب طرحی ۱۲ میلیون دلاری‌اند. استاد کوبال می‌گوید: «بریتانیا و جهان به کمک این پیشرفت می‌توانند افزاره‌های نیم‌رسانای کم‌مصرف بسازند که گامی به سوی جامعه کربن‌صفر است.»

این تحقیق در مجله نیچر الکترونیک چاپ شده است.

منبع: ایندیپندنت