Saken er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - Les mer

Strømsparende oppfinnelse

Et nytt materiale i elektroniske komponenter kan redusere Vestens strømforbruk med ti prosent. Sverige kunne lagt ned et atomkraftverk. Norge kunne spart like mye strøm som hele forbruket i Hordaland.
14.1 2011 05:00


(Illustrasjonsbilde: www.colourbox.no)

Strømforbruket i Vesten kunne gått ned med ti prosent hvis industrien og alle forbrukere hadde byttet ut noen simple elektroniske komponenter i samtlige elektriske apparater.

Det gjelder for eksempel brødristere, mobilladere, oppvaskmaskiner, datamaskiner og luftkjøleanlegg, og installasjoner der strømmen må endres mellom vekselstrøm og likestrøm.

Forklaringen er forbausende enkel. I dagens elektroniske komponenter, som er laget av silisium, forsvinner 10-15 prosent av all energien i form av varmetap. Problemet kan unngås hvis de elektroniske komponentene blir laget av silisiumkarbid.

– Silisiumkarbid vil derfor bli en viktig del av hverdagen til oss alle, uten at vi nødvendigvis legger merke til det, forteller stipendiat Lars Løvlie ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi på Universitetet i Oslo.

Han er en av universitetets seks forskere i silisiumkarbid. Eksperimentene deres foregår på Mikro- og nanolaboratoriet (MiNaLab), som er eid av Universitetet i Oslo og SINTEF i fellesskap.

Legge ned atomkraftverk


Norge kan spare ti prosent strøm om elektroniske komponenter lages av silisiumkarbid (den lille skiven til høyre) fremfor silisium (den store skiven til venstre), ifølge Lars Løvlie. (Foto: Yngve Vogt)

En strømreduksjon på ti prosent høres kanskje ikke så mye ut for menigmann. Men bare i Norge ville en slik besparelse vært like stor som hele strømforbruket i Hordaland. Eller for å si det på en annen måte: Norge kunne ha spart mer enn to Alta-kraftverk.

– Hvis Sverige hadde gått over til silisiumkarbid, kunne svenskene lagt ned Oskarshamns kjernekraftverk, som står for ti prosent av elektrisitetsproduksjonen i landet, forteller professor Bengt Svensson på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Han er forskningsleder på silisiumkarbid og er ellers landskjent for solcelleforskningen sin.

– Kan kjøpe tid

De to forskerne vil nødig uttale seg om hvorvidt Vestlandet kunne ha sluppet «monstermastene» i Hardanger, fra Sima til Samnanger, men påpeker:

– Selv om det ikke er realistisk å skifte ut til silisiumkarbid over natten, kan myndighetene ta den nye teknologien med i beregningene sine og kjøpe seg tid, frem til sjøkabelteknologien kanskje er moden om noen år, mener Løvlie.


En stor del av Vestens strømforbruk går med til nedkjøling av hus. Med dagens teknologi forsvinner ti prosent av dette energiforbruket i varmetap, forteller Bengt Svensson. (Foto: Yngve Vogt)

Bengt Svensson påpeker at verken Statnett eller myndighetene har tatt hensyn til den nye teknologien i prognoseberegningene sine.

– Myndighetene vet om teknologien, men er foreløpig bare med som observatører. Norge har gjort lite. Sverige har gjort mer. Tyskland og Japan er virkelig på hogget, forteller Bengt Svensson.

Han tror den nye teknologien vil være fullt utviklet om tre til ti år.

Statnett bekrefter at de ikke har tatt hensyn til den nye teknologien i prognosemodellene sine.

– Statnett tar høyde for en viss energieffektivisering i våre beregningsmodeller, men det er ikke spesifisert om det er på grunn av denne nye teknologien det henvises til eller andre forhold.

– En teknologi som først er moden om tre til ti år, vil nok ikke ha like stor innvirkning på strømforbruket om ti år, da det tar tid å implementere ny teknologi og ta i bruk nye materialer, poengterer kommunikasjonsrådgiver Martha Hagerup Nilson i Statnett.

Fordeler

Fordelene med silisiumkarbid er mange.

– Silisiumkarbid tåler høyere temperatur, høyere spenning og høyere frekvens enn silisium. Materialet er dessuten spesielt hardført. Silisium er ikke spesielt robust, men silisium er billig og lett å få tak i. Det er en stor fordel, forteller Løvlie.

Silisium, som har vært brukt i elektroniske komponenter siden 1960-tallet, er et av Jordas vanligste grunnstoffer.

Det er svært lett tilgjengelig og er faktisk hovedbestanddelen i vanlig sand. Silisium er et enkelt materiale som fremstilles i ren form i kraftkrevende smelteverk.

En liten klump silisium dyppes i flytende silisium og dras sakte opp igjen. Smelteverkene leverer silisium i brede, sylinderformete kubber.

Elektronikkindustrien skjærer kubbene ut i tynne skiver. I dag produseres mange titalls chipper (dataprosessorer) i slengen av hver skive. Jo flere chipper på en skive, desto billigere blir de.

Fins i meteoritter

I motsetning til silisium, fins ikke silisiumkarbid i naturlig form på Jorda. Det eneste unntaket er i meteoritter. Silisiumkarbid må derfor fremstilles syntetisk. Det er vanskelig, fordi det ikke er mulig å varme opp silisiumkarbid til flytende masse.

Avhengig av temperaturen fins de fleste stoffer i både fast form, flytende masse og gass. Silisiumkarbid er et unntak. Det forvandler seg direkte fra fast form til gass.

Det ville vært det samme som om is hadde forvandlet seg direkte til vanndamp uten å gå omveien om vanlig vann. Kjemikerne kaller dette for sublimasjon.

Når industrien skal fremstille silisiumkarbid, blåses gass på en krystallbit. Da er det naturlig nok langt vanskeligere å få stoffet til å feste seg. Industrien bruker derfor ti ganger så lang tid på å lage silisiumkarbid som silisium.

Det er derfor ikke mulig å lage like store skiver av silisiumkarbid som av silisium.

Strukturelle defekter

Elektronikkindustrien kan ikke produsere like mange chipper i slengen. Det fordyrer. En annen svakhet med silisiumkarbid er at materialet har mange flere strukturelle defekter enn vanlig silisium.

Under produksjonen legger man annen hver gang på et silisiumlag og et karbonlag. Noen ganger dannes det et dobbelt lag av det samme grunnstoffet.

– Da oppfører materialet seg helt annerledes.

Silisiumkarbid er dessuten så hardt at det bare kan skjæres opp med diamantsag. Silisiumkarbid er, etter diamant, et av verdens hardeste stoffer. Det er derfor brukt som slipemiddel de siste hundre år. Silisiumkarbid brukes også i bremseskiver i dyre biler.

Bedre kontroll

Både silisium og silisiumkarbid er gode halvledere. Halvledere har helt spesielle elektriske egenskaper. De elektriske egenskapene er avhengige av noe fysikerne kaller for båndgap. Båndgapet sier noe om hvor mye energi som må til for å slippe elektronene løs.

Materialer med stort båndgap leder ikke strøm. Materialer uten båndgap leder strøm. Hele poenget med halvledere er at man da kan styre ledningsevnen. Silisiumkarbid har tre ganger så stort båndgap som silisium.

Det betyr at elektronene trenger tre ganger mer energi for å rive seg løs.

– Det er bra. Da har vi større kontroll på hvor mange elektroner som skal rives løs. Poenget er at vi vil kontrollere antall løse elektroner med doping. For å ha kontroll på elektronene og lede strømmen dit den skal, må forskerne dope materialet, sier Løvlie.

Doping betyr at materialet tilsettes små doser fremmede stoffer. Det er snakk om svært små mengder; bare noen få fremmede atomer per milliard silisiumkarbidmolekyler.

Grunstoff-krydder

Silisiumkarbid består av silisium og karbon. For dem som kjenner det periodiske systemet, som er en organisatorisk oversikt over all grunnstoffene i verden, vil det være kjent at både silisium og karbon har fire elektroner i det ytre skallet.

For å øke ledningsevnen i et bestemt område, kan man krydre med grunnstoffer som har flere elektroner i det ytre skallet.

Løsningen er å bruke de grunnstoffene som ligger et hakk til høyre i det periodiske systemet, slike som nitrogen, fosfor eller arsen. Alle disse stoffene har fem elektroner i det ytre skallet.

I andre områder ønsker man kanskje færre elektroner. Da må man krydre området med atomer som har et underskudd av elektroner.

For å klare det, brukes grunnstoffer som ligger til venstre i det periodiske systemet, slike som bor og aluminium. Disse stoffene har bare tre elektroner i det ytre skallet.

Med disse dopingatomene kan man lage transistorer. En transistor er en bryter som skrur av og på en spenning.

Det fins flere millioner transistorer i en dataprosessor.

I doktorgraden sin studerer Lars Løvlie hvordan man kan bruke doping tilå få bedre kontroll over elektronstrømningen.

Hardført materiale

Båndgapet betyr ikke bare noe for ledningsevnen. Det sier også noe om hvor høy temperatur materialet tåler. Silisium tåler 200 grader.

Ettersom båndgapet til silisiumkarbid er tre ganger så stort, tåler den også tre ganger høyere temperatur, det vil si 600 grader.

Silisiumkarbid tåler dessuten langt større trykk, og kan legges blant etsende, kjemiske stoffer.

– Dette åpner for helt nye bruksområder. Oljeindustrien kan bruke sensorer av silisiumkarbid i boreslam. Bilfabrikantene kan legge sensorer inn i de svært varme sylindrene i en bilmotor.

Høy frekvens

Silisiumkarbid har enda en fordel. Det øker muligheten for ultrakjapp frekvens. Elektronikkindustrien ønsker transistorer som skal slå seg på og av med en ekstremt høy frekvens. Kanskje opptil en milliard ganger i sekundet.

– I en silisiumbrikke går ti til femten prosent energi tapt hver gang den skrur seg av og på. Tapet blir til varme og kan i verste fall ødelegge transistoren. Dette er løst i silisiumkarbid. Man kan derfor lage langt kjappere prosessorer, sier Løvlie.

Reparerer små defekter

Lars Løvlie forsøker nå å forstå hvordan man kan få kontroll på små materialdefekter i atomstørrelse.

– I disse små skadepunktene mister vi kontrollen på elektronene. Vi vil både forstå og reparere feilene. Fjerner vi defekter, har vi større kontroll på de frie elektronene.

Sammen med postdoktor Tamás Hornos har han nå fått frem nye resultater på diffusjon, et fagområde der man studerer spredning av atomer fra høy til lav konsentrasjon. Løvlie undersøker alt eksperimentelt, mens Hornos simulerer defektene på datamaskin.

– Under høye temperaturer beveger punktdefektene seg over store avstander. Det er helt normalt. Diffusjon kan være et problem. Vi utnytter diffusjon til enda bedre doping, slik som å få atomer til å flytte seg dit de skal.

Neste generasjon

Materialforskerne er nå i gang med en ny teknikk, der man legger på et tynt lag silisiumkarbid på silisium. Det vil redusere prisen betraktelig.

Ute i verden er forskere i arbeid med å forske på neste generasjon chipmateriale, etter silisiumkarbid. Det er grafén. I grafén er alle silisiumatomene fjernet fra det øverste laget i silisiumkarbid-skiven.

– Med grafén får man svært raske transistorer. Dessuten er det nesten ingen elektrisk motstand, forteller Løvlie.

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

Saker fra våre eiere

Opplysningskontoret for Meieriprodukter

Billigere, merket og strategisk plassert mat funker best for at vi skal kjøpe sunne varer.

Senter for internasjonalisering av utdanning

Nesten 7000 norske studenter tok utvekslingsopphold utenlands i 2016. Europa lokker stadig flere ut, mens færre velger USA.

Norsk institutt for vannforskning (NIVA)

Mens mengden plast i havet har vært mye debattert, blir ferskvann sjelden nevnt i det offentlige ordskiftet. Nå har to mastergradsstudenter funnet mikroplast også i hovedstadens elver. 

Saker fra våre eiere

Sykehuset Innlandet HF

Mennesker med psykiske lidelser og rusproblemer får bedre livskvalitet og bedre helse når de får hjelp fra et behandlingsteam.

NTNU

Enkelte med diabetes merker knapt at blodsukkeret blir lavt. Det er uheldig om de for eksempel kjører bil. Nå vet vi mer om hvorfor.

NIBIO

– Dette viser at vi er nødt til å ta godt vare på den skogen vi har, påpeker forsker. 

Forskeren forteller:

Når ungdom presses til å drive med idrett, og voksne bestemmer hvordan de skal gjør det, da blir idrettsungdom lei. Men du kan unngå at barna dine mistrives, blir stresset og presterer dårlig på sikt.

Dinosaurenes historie må skrives om, sier britiske forskere etter en ny enorm analyse. Det vil uten tvil ryste fagfolk verden over, men hvis forskerne har rett, løser de flere uløste gåter.

Laboratoriemus som blir plukket opp etter halen, blir redde og klarer ikke jobben sin. Forskere tror de har funnet en løsning på problemet.

Vitensentre – et sted for hodeløs knappetrykking, tråkking og sveiving – eller kunnskap? Nils Petter Hauan har forsket på hvordan skolegrupper kan lære noe.