El novedoso material que achica los cargadores de teléfonos, alimenta los autos eléctricos y hace posible la tecnología 5G

Imagen de nitruro de galio (Autor: Gabriel Zimmer para The Wall Street Journal)

El galio, que alguna vez fue un producto de desecho industrial, está transformando nuestro mundo cada vez más electrificado.




Si estás leyendo esto en una pantalla, es probable que, literalmente, estés mirando al futuro.

Presente en la mayoría de las pantallas LED, así como también en las luces LED que ahora proporcionan gran parte de la iluminación interior de las casas, está el galio metálico. Y aunque no es tan conocido como el silicio, se está apoderando de muchos de los lugares donde el silicio una vez reinó supremamente, desde antenas hasta adaptadores de carga con más de una entrada y otros sistemas de conversión de energía conocidos como “electrónica de potencia”. En el proceso, está habilitando una sorprendente variedad de nuevas tecnologías, desde teléfonos celulares de carga más rápida hasta vehículos eléctricos más livianos y centros de datos con mayor eficiencia energética que ejecutan los servicios y aplicaciones que usamos.

El galio, un subproducto de la extracción del aluminio desde una roca, tiene una temperatura de fusión tan baja que se convierte en un líquido blanco-plateado goteante cuando lo sostienes en tu mano. Por sí solo, no es muy útil. Combínalo con nitrógeno, para hacer nitruro de galio, y se convierte en un cristal duro con propiedades valiosas. Aparece en los sensores láser utilizados en muchos autos autónomos, antenas que permiten las rápidas redes inalámbricas celulares de hoy en día y, cada vez más, en la electrónica fundamental para hacer que la recolección de energía renovable sea más eficiente.

Muchas de las cosas más tangibles que son posibles gracias al nitruro de galio, también conocido como GaN, están sucediendo en la electrónica de potencia. Hoy en día, puedes comprar pequeños cargadores USB-C con suficiente potencia para alimentar tu laptop, teléfono y tablet simultáneamente, aunque no son más grandes que las versiones mucho menos potentes que durante años vinieron con nuestros dispositivos.

La electrónica de potencia que convierte un nivel de voltaje en otro, también es clave para muchos aspectos de los vehículos eléctricos. Son más pequeños, más livianos, más eficientes y emiten menos calor, por lo que los vehículos eléctricos (EV, por sus siglas en inglés) pueden viajar más lejos con una sola carga, afirma Jim Witham, director ejecutivo del fabricante de chips GaN Systems. Esas propiedades también son excelentes para extraer significativamente más electricidad de fuentes de energía renovables como los paneles solares, agrega. Incluso las pequeñas ganancias de eficiencia en la conversión de electricidad se suman cuando ocurren varias veces, como sucede en una red de energía renovable que incluye almacenamiento de batería.

A pesar de lo milagroso que puede ser el material GaN, este enfrenta la competencia del conocido y probado silicio, y una lista creciente de nuevos materiales que muestran potencial para revolucionar nuestra electrónica. Aún así, sus usos se están expandiendo. GaN Systems también tiene clientes que prueban sus chips en centros de datos, donde la reducción del consumo de energía y del calor residual puede traducirse en ahorros masivos en las cuentas de electricidad. Ninguno de sus clientes de centros de datos ha reconocido públicamente el uso de la tecnología.

Hubo un tiempo, no hace mucho, en que el GaN era una mera curiosidad de laboratorio. Luego, el Pentágono se interesó en la búsqueda de nuevos tipos de electrónica para impulsar las comunicaciones inalámbricas y los radares de próxima generación. A partir del 2000, la financiación del Darpa, la agencia de investigación avanzada del Departamento de Defensa, impulsó la experimentación necesaria para superar muchos de los obstáculos para su comercialización, afirma Rachel Oliver, profesora de ciencia de materiales y directora del Centro de Nitruro de Galio en la Universidad de Cambridge.

Junto con sus innumerables aplicaciones en el mundo civil, GaN ahora aparece en el hardware militar utilizado para todo, desde la interferencia de radio hasta la defensa contra misiles, todo ello posible gracias a sus propiedades únicas.

A diferencia del silicio, GaN puede manejar cantidades relativamente grandes de electricidad. Tiene la propiedad inusual de ser muy bueno para mover electrones y muy bueno para no permitir que vayan a donde no se quiere que estén, lo que lo hace útil y relativamente seguro, afirma la doctora Oliver.

Junto con su talento para conducir electricidad, GaN tiene la capacidad para operar a frecuencias mucho más altas de lo que es posible con el silicio —entre 30 y 500 veces más rápido en aplicaciones comerciales— lo que permite hacer cargadores que son mucho más pequeños o que entregan más energía que los tradicionales.

A medida que nuestro mundo se electrifica cada vez más, desde nuestras fuentes de energía hasta los dispositivos que lo utilizan, cualquier cosa que realice de manera más eficiente la función crítica, pero fácil de pasar por alto, de convertir la electricidad de una forma a otra, tiene el potencial de convertirse en algo omnipresente y en una enorme fuente de ingresos. Es por eso que hay docenas de startups y empresas establecidas en este espacio, como Navitas Semiconductor, GaN Systems, Power Integrations, Texas Instruments, Infineon y STMicroelectronics.

Sin embargo, el mercado de la electrónica de potencia de GaN es todavía bastante incipiente. En 2019, el mercado completo para todos los transistores era de aproximadamente US$16.000 millones, mientras que el mercado del tipo ofrecido por Navitas, GaN Systems y otros era de US$45.000 millones, afirma George Brocklehurst, vicepresidente de investigación de Gartner.

Hay otros materiales potencialmente revolucionarios que están comenzando a competir con el silicio, como el grafeno, pero los microchips de GaN tienen la ventaja considerable de que pueden producirse en el mismo tipo de instalaciones de fabricación —llamadas fabs (apodo en inglés para las plantas de fabricación de este tipo de productos)— que los microchips convencionales, afirma Stephen Oliver, director de marketing en Navitas.

Debido a que no requieren la tecnología de fabricación de chips más avanzada, los chips de GaN se pueden producir en fábricas más antiguas que, de otro modo, estarían inactivas. Un efecto secundario afortunado ha sido que el suministro de chips de GaN no se ha visto afectado por la escasez global de semiconductores, afirma Oliver. Los chips de Navitas se fabrican actualmente en la fábrica más antigua que aún opera TSMC, el titán taiwanés de fabricación de chips.

La aceptación del GaN se está volviendo tan generalizada que los precios están cayendo rápidamente. Es por eso que ahora se puede comprar un cargador de GaN entre los US$20 y US$70, lo que es mejor, en todos los sentidos, que los que venían con tus dispositivos.

Empresas como GaN Systems están impulsando la tecnología a otras áreas. Tanto BMW como Toyota son inversionistas en GaN Systems. En 2019, Toyota mostró un vehículo prototipo con electrónica de potencia basada completamente en GaN, desde el cargador a bordo del automóvil hasta sus luces LED.

Dicho esto, las fichas de GaN no son un ganador absoluto. Los avances en la ciencia de los materiales han generado un puñado de competidores. La electrónica de potencia de silicio tradicional sigue siendo dominante en la mayoría de las aplicaciones, y en el mundo de los vehículos, el carburo de silicio, una alternativa con muchas de las mismas propiedades que el GaN, tiene una trayectoria mucho más larga, afirma Brocklehurst de Gartner.

Una serie de sustancias prometedoras, pero menos conocidas, podría hacer que todas las mencionadas anteriormente se vieran amenazadas, incluidos el óxido de galio y el óxido de aluminio. Ambos son semiconductores que pueden modelarse en microchips, afirma la doctora Oliver.

Donde la revolución de los materiales no se ha afianzado es en el mercado más grande de semiconductores: los procesadores que alimentan nuestros computadores. Hasta hace poco, afirma la doctora Oliver, GaN ha sido bueno en hacer solo la mitad de las cosas que puede hacer un transistor de silicio tradicional.

Hasta ahora, GaN no puede manejar los flujos de corriente eléctrica necesarios para ejecutar el tipo de cálculos realizados por los chips lógicos de silicio tradicionales. Pero los hallazgos recientes sugieren que eso puede estar cambiando.

“Si me hubieras preguntado hace unos años si veríamos a GaN, por lógica te habría dicho: ‘Oh, no seas estúpido’”, afirma. “Pero ahora es posible y puede conducir a dispositivos más rápidos”.

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