Nye mikrochips forbedrer din hverdag og styrker den grønne omstilling
Nye materialer i elektronik-chips mindsker størrelsen på din computer-oplader, får elbilen til at køre længere og gør vindmøller mere effektive.
En mikrochip

Mikrochips spiller en stor rolle indenfor den bæredygtige omstilling. Hvor stor og hvilken rolle kan du læse videre om i artiklen (Foto: Shutterstock)

Mikrochips spiller en stor rolle indenfor den bæredygtige omstilling. Hvor stor og hvilken rolle kan du læse videre om i artiklen (Foto: Shutterstock)

Har du nogensinde tænkt over, hvorfor strømforsyningen til din computer er blevet mindre i løbet af årene, eller hvorfor rækkevidden på elbiler er steget?

Det er blandt andet på grund af de halvlederchips, der bruges i al elektronik. Nye materialer gør nemlig chipsene mere effektive, og det er lige præcis dét, jeg forsker i.

Optimeret elektronik gør dog ikke kun din oplader til bærbaren mindre, det er også essentielt for den grønne omstilling.

Derfor har Grundfos-fonden givet en bevilling på 20 millioner til Center of Digitalized Electronics på Aalborg Universitet, hvor jeg forsker i at designe nye anvendelsesmuligheder af de nye halvlederchips.

Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet og Region Hovedstaden.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

I de kommende år vil vi derfor undersøge, hvordan vi hurtigst muligt kan få anvendt halvlederchips til at effektivisere elbils-ladere, elektrolyse-anlæg og vindmøller.

Her fokuserer vi mest på vores forskning i vindmøller og principperne bag halvlederne. I boksen under artiklen kan du læse om nogle af de andre områder, hvor vi også afprøver de nye halvledere.

Hvad er en halvlederchip?

Måske har du faktisk tænkt over, at computeropladere bliver mindre, og at elbiler kører længere, men kender ikke forklaringen.

I al slags elektronik, lige fra computere over elbiler til vindmøller og solceller, sidder der halvlederchips, som hele tiden styrer, hvor meget energi der kommer igennem apparatet.

Chippen gør for eksempel, at en spænding kan sættes ned fra de 230 Volt, der kommer ud af stikkontakten, til eksempelvis 20 Volt til at oplade batteriet i en bærbar computer, eller 5V til din mobiltelefon.

I denne proces sker der altid et tab, for energien kan ikke omformes 100 procent effektivt. Det elektriske tab bliver omdannet til varme, hvilket er grunden til, at opladeren til computeren føles varm, når man rører ved den.

En mikrochip

Hundredvis af halvlederchips omformer strømmen i vores elektriske apparater. Her ses en æske med rå halvlederchips. (Foto: Asger Bjørn Jørgensen/AAU Energi)

De nye halvledermaterialer

I over 50 år har disse halvlederchips været lavet af silicium, som er et halvledermateriale.

Men nu er der sket en udvikling af to materialetyper, siliciumkarbid og galliumnitrid, der kan gøre, at chipsene fylder mindre, og at de er mere effektive.

De nye materialer er grunden til, at strømforsyningen til din computer er blevet mindre og ikke længere bliver lige så varm, og det er også på grund af materialerne, at en elbil kan køre længere mellem opladninger.

En del af forklaringen er, at energien fra batteriet i elbilen mere effektivt kan omformes til at få elmotoren til at dreje rundt.

Men fordi chippen ikke bliver lige så varm, behøver man heller ikke bruge lige så meget plads på kølesystemer, og der bliver derfor plads til et større batteri, som øger rækkevidden af elbilen.

EU vil selv producere de nye chips

På grund af disse fantastiske fordele, samt udviklingen i batteri-teknologi, bliver det stadig mere attraktivt at køre elbil.

Den øgede efterspørgsel på elbiler, opladere og solceller har været med til at skabe mangel på halvleder-chips og resulteret i lange leveringstider.

EU har opdaget vigtigheden af de nye halvleder-materialer, og derfor har de i udspillet ’EU Chips Act’ lagt investeringer på 43 milliarder euros.

Det skal sikre, at produktionen af de nye chips finder sted i Europa, så EU-landene ikke er afhængige af at kunne købe materialerne andre steder i verden.

En mikrochip

I laboratorier på AAU Energi kan vi designe og bygge halvlederkomponenter helt fra bunden. (Foto: AAU Energi)

Gør en forskel i hverdagen og for den grønne omstilling

Sammen med mine kollegaer forsker jeg derfor i, hvad de nye halvledermaterialer ellers kan bruges til, og hvordan de bedst kan udnyttes, så vi kan effektivisere verden omkring os.

Lige for tiden benyttes de nye materialer mest i situationer, hvor folk er villige til at betale for de dyrere chips og bedre designs.

Det er eksempelvis i en mindre strømforsyning til en computer eller i elbiler, hvor den øgede rækkevidde er meget værd for forbrugeren.

Målet for vores forskningsprojekt er dog også at gøre en forskel i fremtidens energisystemer, hvor energien skal være vedvarende og udnyttes bedst muligt.

Reducerer energitabet

I dag, hvor det meste af vores elektricitet produceres i kraftværker og sendes hjem til vores huse gennem store transformerbokse, mister vi cirka ti procent af energien undervejs – afhængig af, hvor langt væk fra kraftværket eller vindmølleparken vi bor.

I fremtiden skal vores el komme fra lokale kilder som solceller og vindmøller. Elektriciteten skal både opbevares i batterier og skal i højere grad transporteres frem og tilbage i el-systemet.

Med de gamle materialer vil der ske et ekstra tab på cirka fem procent, hver gang strømmen skal flyttes frem eller tilbage.

Men her kan de nye halvledermaterialer, siliciumkarbid og galliumnitrid, også medvirke til, at effektiviteten bliver større, og at tabet af energi dermed bliver helt ned til cirka to procent.

Samme princip som i højspændingsmaster

I vores forskning beskæftiger vi os med vindmøller. Her kan de nye typer halvledermaterialer nemlig øge spændingen i den elektronik, der sidder i huset på toppen af vindmøllen – det, man også kalder for vindmøllens nacelle.

Princippet kender vi allerede fra højspændings-masterne, vi ser i landskabet, der transporterer store mængder elektricitet rundt i landet.

Som du måske husker fra fysiktimerne, er forholdet mellem strøm, spænding og effekt sådan, at for en given spænding, vil vi skulle bruge større strøm for at få højere effekt.

Men hvis strømmen bliver meget stor, kræver det meget tykke kabler. Der skal altså bruges store mængder kobber for at lave de tykke kabler, som kan klare den høje strøm, og det bliver til sidst upraktisk.

Derfor er det i stedet en fordel at øge spændingen, når der skal overføres høj effekt. På den måde kan vi overføre mange mega-watt i relativt tynde kabler i højspændingsmasterne.

Vandturbiner

(Figur: Asger Bjørn Jørgensen, AAU)

Højspænding i vindmøller

I de nye vindmøller forsker vi derfor i, hvordan vi kan få højspænding allerede i toppen af vindmøllerne.

Det kan lade sig gøre med de nye halvledermaterialer, og på den måde sørges der for, at kablerne i de hundrede meter høje vindmøller kan gøres tynde.

Når vi øger spændingen fremfor strømmen (se turbine-eksemplet i boksen), betyder det også, at man får højere effektivitet – altså mere energi ud til os, der skal bruge den.

Tabet sker nemlig, når selve strømmen løber i ledningerne, og derfor medfører lav strøm et lavere tab og dermed et mere effektivt energisystem.

miniature-kopi af elektronikken fra en vindmølle

På AAU har vi opbygget en miniature-kopi af elektronikken fra en vindmølle til at teste de nye halvleder-komponenter. (Foto: Jonas Jacobsen/AAU Energi)

I fremtiden vil bare en enkelt vindmølle kunne have en effekt på 20 megawatt, hvilket svarer til det at kunne oplade 2.000 elbiler samtidig.

Ved så høj effekt betyder det faktisk noget, om den har en effektivitet på eksempelvis 95 eller 98 procent, og det er derfor, at halvledermaterialerne spiller en kæmpe rolle.

De 3 procents forskel giver 600 kilowatt ekstra produktion ud af den samme vindmølle, hvilket over et år svarer til elforbruget for en lille landsby.

Halvlederchips er også vigtige i industrien

Vi forsker også i, om de nye halvledere kan bruges til elektrificering af industrielle varme- og bearbejdningsprocesser, hvor der skal bruges store mængder energi, eller til de store elektrolyse Power-to-X anlæg, der forventes at blive opstillet sammen med de nye energi-ø’er.

Indenfor industrien kan halvlederne for eksempel bruges til produktion af limtræs-bjælker (bærende elementer i for eksempel sportshaller eller lufthavnsterminaler).

Bjælkerne limes sammen af en masse små stykker træ og kører derefter igennem en forvokset mikrobølgeovn, for at vandet i limen fordamper, og bjælkerne hærder. Det kræver meget energi, og derfor er effektivitet vigtigt.

Ligeledes forsker vi i, hvordan de nye halvledere kan bruges til at smelte metaller. Her er princippet et kæmpe induktionskomfur, hvor det ligeledes skal bruges en masse energi i bearbejdningsprocessen.

Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcasts herunder. Du kan også findes os i din podcast-app under navnet 'Videnskab.dk Podcast'.

Videnskabsbilleder

Se de flotteste forskningsfotos på vores Instagram-profil, og læs om det betagende billede af nordlys taget over Limfjorden her.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med omkring en million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk