Galliumnitrid gegen Strom-Blackout

29. März 2022 | Technologien

An den Sandia National Laboratories ist eine Diode entwickelt worden, die dank Galliumnitrid Stromnetze vor Überspannungen schützen könnte.

Das Multitalent unter den Halbleitern: Galliumnitrid (GaN) stellt in immer mehr Bereichen der Elektronikindustrie sein Potenzial unter Beweis. Die Verbindung aus dem Technologiemetall Gallium und Stickstoff ermöglicht viel Leistung auf kleinem Raum, zum Beispiel in Mikrochips, Ladegeräten und Mobilfunkanwendungen. Dass GaN das Stromnetz auch vor Überlastung schützen kann, zeigt ein neu entwickeltes Gerät der Sandia National Laboratories in den USA. Dort hat ein Wissenschaftsteam eine GaN-Diode gebaut, die in kürzester Zeit eine enorm starke Spannung von 6.400 Volt ableiten kann. Zum Vergleich: Steckdosen in Europa liefern standardmäßig eine Netzspannung von 230 Volt.

Das neue Gerät sei „ein bedeutender Schritt, um das nationale Stromnetz vor elektromagnetischen Impulsen zu schützen“ [Übersetzung Rohstoff.net] heißt es in einer Mitteilung der Forschungseinrichtung. Dabei handelt es sich um kurzzeitige elektromagnetische Strahlung, die durch natürliche Phänomene wie Sonneneruptionen oder menschliches Einwirken wie Kernwaffenexplosionen ausgelöst werden kann. Elektromagnetische Impulse erzeugen in Sekundenbruchteilen gewaltige Spannung, die im schlimmsten Fall zu monatelangen Unterbrechungen der Stromversorgung führen könnte. Zwar gebe es Schutzvorrichtungen im Stromnetz, die innerhalb einer Millionstel Sekunde reagieren können, um Blitzschläge abzuleiten, weiß Jack Flicker, Sandia-Experte für die Widerstandsfähigkeit elektrischer Netze. Bei elektromagnetischen Impulsen gehe es jedoch um zehn Milliardstel Sekunden – also einen deutlich kürzeren Zeitraum. Hier biete Galliumnitrid Vorteile gegenüber anderen Halbleitermaterialien wie Silizium, da es in der Lage sei, so schnell zu reagieren, erklärt Bob Kaplar, Leiter einer Sandia-Forschungsgruppe für Halbleiterbauelemente. Auch könne GaN immense Spannungen und Stromstärken aushalten.

Die Wissenschaftler möchten nun ein Gerät entwickeln, das mit bis zu 20.000 Volt arbeitet und so Schutz vor Überspannungen bietet, da die meisten Netzverteiler mit rund 13.000 Volt betrieben werden. Neben dem Schutz des Stromnetzes seien auch andere Einsatzgebiete denkbar, glaubt Kaplar. Transformatoren, Leistungswandler/Gleichrichter oder Ladeinfrastruktur für Elektroautos etwa könnten dadurch effizienter werden.

Veröffentlicht wurden die Herstellungs- und Testergebnisse in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Electron Devices.

Photo: iStock/peterschreiber.media

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