Han fick Nobelpriset för ledlampan – nu vill han skapa energins internet

2018-10-04 06:00  
Hiroshi Amano ler ofta och svarar vänligt på alla frågor. Men när vi vill veta hur man vinner ett Nobelpris brister han ut i gapskratt. Sedan svarar han att ”törst efter kunskap och en vilja att förbättra människors livskvalitet” är goda egenskaper. Foto: Jörgen Appelgren

Kisel blev halvledarmaterialet som förändrade världen på 1900-talet. Nu kan galliumnitrid innebära en ännu större revolution. Och en japansk Nobelpristagare leder vägen framåt.

Du har säkert hört talas om artificiell intelligens, självkörande fordon, grafen och 5g, nästa generations mobilnät. Samtidigt står vi inför ett nytt och förmodligen lika omvälvande teknikskifte som de ovan nämnda bär löften om. Men det har passerat under radarn.

– Materialet är väldigt, väldigt lovande, säger den japanska fysikern Hiroshi Amano.

Hiroshi Amano vet mer än de flesta om det här. För fyra år sedan tilldelades han, tillsammans med två andra japanska forskare, Nobelpriset i fysik. Trion hade i slutet av 80-talet uppfunnit ”effektiva blå lysdioder som gjort ljusa och energisnåla vita ljuskällor möjliga”. Med andra ord låg Amano och hans kolleger bakom ledlampan.

Arbetet hade inte varit enkelt. Forskare världen över hade i årtionden försökt framställa blå lysdioder genom att laborera med material, odlingsmetoder och substrat. Galliumnitrid (GaN), en kemisk förening mellan gallium och kväve, hade tidigt ansetts vara ett lovande halvledarmaterial för ändamålet.

– Men alla ansträngningar misslyckades. Det var otroligt svårt att odla galliumnitridkristaller med god kvalitet. De ledande forskarna försökte, men övergav idén. Alla utom en, säger Hiroshi Amano.

Historien om reaktionerna vid Nobelpriset 2014

Den personen var fysikern Isamu Akasaki, tillika Hiroshi Amanos läromästare vid universitet i Nagoya, som också mottog Nobelpriset i fysik 2014.

När Hiroshi Amano är ute och föreläser, som under ett besök hos Kungliga ingenjörsvetenskapsakademien i Stockholm häromveckan, brukar han berätta en dråplig historia. Den dagen nobelpristagarna i fysik tillkännagavs befann sig Amano på resa genom Europa. Han mellanlandade i Frankfurt och noterade att han i mobilen fått hundratals mejl med gratulationer.

– Men det stod inte vad gratulationerna handlade om så jag tänkte att det måste vara spam.

När han senare samma dag anlände till Lyon väntade ett stort pressuppbåd i ankomsthallen. ”Oj”, tänkte Amano, ”det måste ha varit någon ung skådespelare med ombord”. Sedan förstod han att det var honom de väntade på.

Läs mer: Nobelpris för blå dioder ifrågasatt

I samband med utmärkelsen skrev Nobelstiftelsen att ”ledlampan kan öka livskvaliteten för de en och en halv miljard människor som saknar elnät. På grund av dess låga effektbehov kan den drivas av billig lokal solkraft”.

Där kunde förstås berättelsen om Hiroshi Amano och galliumnitrid ha tagit slut. Men faktum är att den bara börjat.

– Samma material som vi använde till den blå lysdioden, galliumnitrid, kan vi använda för att tillverka nya transistorer, säger Hiroshi Amano.

Grundämnet kisel är så utbrett i halvledarindustrin att det närmast blivit synonymt med transistorer. Det var så Silicon Valley fick sitt namn (kisel heter silicon på engelska). Men en av kiselpionjärerna på 70-talet, Alex Lidow, har under det här årtiondet blivit en passionerad förespråkare av galliumnitrid.

– Det är som om Steve Jobs, när han presenterade Iphone för första gången, sagt att här har du en telefon som inte bara är snabbare än din gamla mobil, den är dessutom billigare, säger Lidow till sajten Venturebeat, och menar med liknelsen att galliumnitrid både är bättre och billigare än kisel.

”Galliumnitrid en unik lösning”

Sedan en tid driver Lidow bolaget EPC, Efficient Power Conversion, som på sin hemsida publicerar Gan Talk, ”en blogg fast besluten att krossa kisel”. Ett annat bolag, Cambridge Electronics, en avknoppning från MIT, kallar galliumnitrid för ”det här århundradets kisel”.

Och ska man jämföra de två har galliumnitrid uppenbara fördelar: materialet kan uppnå samma effekt i ett betydligt mer kompakt chip. Det har lägre resistans, högre omkopplingshastigheter och högre strömtäthet. Värmeförlusterna blir lägre. Tack vare sitt breda bandgap kan galliumnitrid hantera högre spänningar.

– För effektkontroll är galliumnitrid en unik lösning för sådant som kräver hög effekt och höga omkopplingshastigheter. Omkopplingshastigheten innebär att vi kan minska storleken och vikten på kretsen, säger Hiroshi Amano.

Han ger ett exempel där en solpanel på ett hustak används för att förse en vanlig pc med elektricitet. När likström ska omvandlas till växelström uppstår en energiförlust. Därpå ska spänningen regleras och kontrolleras och ytterligare värme avgår. Men, säger Amano, egenskaperna hos galliumnitrid kan reducera energispillet jämfört med de kiseltransistorer som används i dag.

Läs mer: Led-ljusets upphovsmän i stan

Ledlampan bidrar till sänkt elförbrukning. Samtidigt är belysning i hem och på kontor inte på långa vägar en lika stor energitjuv som luftkonditionering. I Hiroshi Amanos hemland Japan står luftkonditionering i ett typiskt hem för 42 procent av elförbrukning, jämfört med 14 procent för belysning. Kylskåp tar 17 procent i anspråk. Med effekttransistorer i galliumnitrid skulle många av hemmets apparater kunna ansluta till ledlampans lågenergitillvaro.

Tillämpningarna stannar förstås inte vid hushållselektronik. Som bolaget Cambridge Electronics skriver på sin hemsida, "effektelektronik används varje gång elektricitetens spänning måste ändras. Det är tekniken som utgör nyckeln till de dataservrar som gör internet möjligt, det är växelriktaren som ger kraft åt elbilen, eller kontrollerna av industrimotorer runt om i världen".

Hoppas trådlös elekricitet ska överföra energi till drönare och elbilar

Ändå är inte mer effektiva datahallar eller kraftfullare elbilar på långa vägar det mest kittlande med galliumnitrid. För sedan börjar Hiroshi Amano tala om ”energins internet”. Trådlös elektricitet. Och inte den typen av trådlös laddning när man lägger en mobiltelefon på en platta. Snarare rör sig visionerna kring hem där sladdar inte längre behövs, solcellsatelliter som skickar energi ner till jorden och elfordon som kan laddas samtidigt som de framförs.

Att omvandla elektricitet till och från radiovågor som kan färdas långa sträckor är ingen ny idé, och redan vid förrförra sekelskiftet försökte uppfinnaren Nikola Tesla bygga ett ”world wireless system” kapabelt att sända både information och energi trådlöst över jordklotet. Tesla hade förmodligen inte haft något emot galliumnitrid, vars försumbara energiförluster skulle kunna göra trådlös elektricitet till något mer än en teoretisk möjlighet.

Hiroshi Amano och hans forskarlag vid universitet i Nagoya har redan börjat experimentera med drönare på korta avstånd.

– Med ett sådant här system hoppas vi kunna överföra energi till drönare, ambulanshelikoptrar, industrirobotar och elbilar.

En annan tillämpning kan vara att få mobilstandarden 5g att nå sin fulla potential.

– Med internet of things kan vi förvänta oss många klienter, en miljon klienter per kvadratkilometer. Så om alla kanaler behöver samma effekt kommer behovet att bli mycket större. Galliumnitrid är den unika lösningen när det gäller att klara både höga frekvenser och hög effekt, säger Hiroshi Amano.

Kisel som halvledarteknik har mognat till den grad att den inte längre kan förbättras nämnvärt. Den har dock fram till nyligen varit en billigare metod. Samtidigt brottas forskarna fortfarande med vissa defekter när det gäller framställning av GaN-halvledare. Hiroshi Amano är övertygad om att defekterna kan slipas bort och hans forskarlag har storslagna planer inför olympiaden i Tokyo om två år. Då ska de, hoppas han, kunna visa upp en elbil vars elektriska komponenter till stora delar är konstruerade av galliumnitrid.

– Det är en dröm vi har, haha. Problemen är inte av teknisk natur utan handlar om regulation, det är inte enkelt att få framföra ett sådant fordon på allmänna vägar. Men till 2020 så ska fordonet åtminstone finnas på vårt campus. Ni får gärna komma och hälsa på då.

Hiroshi Amano

Ålder: 58.

Yrke: Fysiker.

Gör: Chef för det center på Nagoya-universitetet som forskar kring framtida elektronik, samt för det institut som forskar kring hållbara material och system. Dessutom chef för Akasakis forskningscenter.

Känd som: En av uppfinnarna av den blå lysdioden, som möjliggjorde den vita ledlampan. Mottog 2014 nobelpriset i fysik.

Peter Ottsjö

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt