Entradas etiquetadas como ‘electricidad’

Claves para entender la escasez de los chips en Europa

Por Luis Fonseca (CSIC)*

Vivimos rodeados de chips. No solo están en productos como los móviles o los ordenadores, sino también en la automoción, la producción industrial de ropa o alimentos y en sectores críticos como el de la instrumentación médica, la seguridad o la defensa. Por eso cuando escasean estos semiconductores, como ocurre en la actualidad, saltan las alarmas. Pero, ¿por qué faltan chips? Aunque en los últimos meses se haya hablado mucho de ello, desde el Instituto de Microelectrónica del CSIC en Barcelona trataremos de aportar nuestro punto de vista.

Antes, apuntalemos algunos conceptos previos

El primero es el de la electrónica, que es la rama de la física que estudia los movimientos de los electrones libres y la acción de las fuerzas electromagnéticas y cómo utilizarlos para controlar la propia electricidad y gestionar todo tipo de procesos de información. No es poca cosa, porque, como predijo Michael Faraday en una difundida aunque oficiosa anécdota en la que señalaba que se acabarían pagando impuestos por la electricidad, hemos hecho de la electricidad y de la información uno de los vectores principales de nuestra sociedad en general y de nuestro sistema productivo y económico en particular. La primera revolución industrial se fraguó en torno al vapor, pero las protagonistas de las posteriores revoluciones han sido la electricidad, la electrónica y la información.

Ilustración del experimento de M. Faraday en 1831 donde muestra la inducción electromagnética entre dos bobinas. /Grabado de J. Lambert (1892)

El transistor, por su parte, es el componente electrónico fundamental que nos puso en el disparadero de la modernidad y de la transición hacia la sociedad de la información. Este abuelo de los microchips cumple 75 años en 2022. Se trata de un dispositivo que actúa como interruptor dejando pasar corriente a través de sí en función de si se le activa una señal de control. Unos y ceros (señal de entrada) generando unos y ceros (señal de salida) son la encarnación del bit y la magia de la lógica binaria que nos lleva desde el modesto transistor hasta un superordenador. La microelectrónica y la nanoelectrónica han permitido hacer esos transistores más pequeños y más rápidos hasta poder integrar en el mismo chip millares, decenas de millares, millones, miles de millones, millones de millones de transistores… Por ello ahora hablamos de memorias de terabytes y de procesadores que ejecutan billones de instrucciones por segundo.

Chip diseñado en el IMB-CNM que permite el registro neuronal de 1024 canales uECoG para aplicaciones de rehabilitación del habla (proyecto Europeo BrainCom FETPROACT-2016-732032).

La micro y nanoelectrónica son, por tanto, la orfebrería extrema que nos permite llegar hasta el “infinito informático” y más allá. Las memorias y los procesadores se hacen en fábricas de semiconductores (foundries) que son, a día de hoy, la sublimación de la complejidad tecnológica y el máximo exponente de la eficiencia y la productividad. Para producirlos se orquestan con precisión centenares de procesos en grandes espacios (clean rooms o ‘salas blancas’) que se mantienen bajo condiciones cuidadosamente controladas: temperatura y humedad estables, ausencia de vibraciones y un aire más limpio que el de un quirófano.

Una crisis de sistema productivo

Aunque la fabricación de chips tiene sus propios retos tecnológicos, ligados a los límites de la miniaturización continua, la crisis de los chips no es tecnológica, sino económica y de sistema productivo. Y no se debe a una única razón, sino a una serie de “catastróficas desdichas”. Esta crisis ha puesto de manifiesto que nuestro sistema hiperespecializado y ultraconectado no se defiende bien ante grandes perturbaciones. Parece evidente que la deslocalización de la producción y los esquemas de just in time en aras de la eficiencia económica suponen un importante riesgo cuando el transporte global no está asegurado y supone un costo elevado, y aquí el coste de la energía juega un gran papel.

Imagen de chip diseñado y fabricado en el IMB-CNM que contiene un sensor electroquímico inteligente para aplicaciones de salud y control de calidad (proyecto Europeo Pasteur CATRENE CT204).

Las grandes perturbaciones que sacuden al sistema productivo han sido la pandemia y, en cierta medida, el cambio climático, que se han aliado con la localización extrema en la producción de chips: aproximadamente el 85% de ellos se fabrican en Asia y hasta dos terceras partes solo en Taiwán, una isla del tamaño de Cataluña con una relación particular con la China continental. Precisamente, Taiwán vio afectada su producción de chips por un episodio severo de sequía, ya que el agua es un recurso importante en su fabricación.

La pandemia, por su parte, alteró notablemente el equilibrio entre la oferta y la demanda de semiconductores, que ya estaba tensionado por el impulso global y sostenido hacia una mayor digitalización. Una de sus principales consecuencias ha sido el aumento espectacular en la demanda de ocio electrónico y de herramientas de teletrabajo, así como la necesidad de dimensionar al alza toda la mega-infraestructura de interconexión asociada.

Relocalizar (en parte) la producción de chips

Consideremos algunos datos poco conocidos: construir una fábrica avanzada de semiconductores cuesta alguna decena de miles de millones de euros y ponerla en pie requiere mínimo dos años; el tiempo para conseguir un chip-en-mano no es muy diferente de los nueve meses de un embarazo; y, en un escenario de baja oferta, no toda la demanda es igualmente apreciada. En este sentido, los móviles y los ordenadores usan chips de mayor valor añadido, y más caros, que los que se usan en los vehículos. Móviles y ordenadores vieron aumentar sus pedidos durante la pandemia, y los vehículos redujeron y suspendieron los suyos a la espera de que se recuperara su propia demanda… pero, ahora que esta demanda ha aumentado, los productores de chips no tienen tanto aliciente en proporcionarlos cuando aún pasan apuros para cumplir con los pedidos de los primeros. La generación de millennials entiende que un problema en la interconexión digital global puede resolverse en minutos u horas, pero las personas boomers saben que reparar la interconexión física global (léase producir y transportar mercancías) requiere semanas o meses.

De la misma manera que es muy posible que la pandemia haga cambiar ciertos comportamientos para siempre, la crisis de los semiconductores puede alentar cambios duraderos. Tanto Estados Unidos como Europa tienen planes para aumentar su producción de chips. En el caso europeo, ese aumento de producción pasa por atraer empresas americanas o taiwanesas, pues no hay grandes productores locales de memorias y procesadores, y, por supuesto, no hay fabricas públicas de semiconductores ni se las espera. Conviene también no olvidar que los procesadores y las memorias son el rey y la reina en el tablero de los componentes electrónicos, pero hay otras piezas, todas necesarias, cuyo juego debe asegurarse también. Si los chips de los coches son alfiles o caballos, aún hay mucho peón que la crisis de los semiconductores amenaza con dejar atrás. Son chips de menor complejidad, pero igualmente necesarios, que podrían fabricarse en redes de salas blancas más pequeñas, de menor coste, y distribuidas geográficamente de forma que estén sometidas a menores vaivenes político-económicos.

*Luis Fonseca es investigador del CSIC y director en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).

Olas monstruo eléctricas: el fenómeno que explica el riesgo de un gran apagón

Por Antonio Turiel* y Mar Gulis

A lo largo de los tiempos, los marinos han relatado historias de enormes olas que aparecen de la nada en mar abierto, se elevan 10 o 20 metros, recorren uno o dos kilómetros y desaparecen tras arrasar todo lo que encuentran a su paso. Sin embargo, hasta la década de los 90 del siglo pasado, las olas monstruo no fueron objeto de estudio científico. Pertenecían al terreno de las leyendas urbanas… o, mejor dicho, marinas. La mayoría de la gente creía que solo eran fabulaciones de viejos y ebrios lobos de mar, y las compañías de seguros que eran historias inventadas para encubrir negligencias causantes del hundimiento o la desaparición de barcos. Hasta que las imágenes de cámaras instaladas en navíos, plataformas marinas y satélites acabaron por dar la razón a los marinos: las olas monstruo existen.

Las causas del fenómeno son complejas, pero no hay duda de que en algunos casos ocurre simplemente porque es estadísticamente posible. En el mar hay muchas olas. La mayoría están generadas por el viento, aunque en su formación también intervienen otros factores, como tormentas lejanas o el relieve del suelo marino. Normalmente, esas olas se propagan en diferentes direcciones, cada una con una amplitud, una frecuencia y una longitud de onda diferente, algunas más rápido, otras más lento… Pero a veces, por puro azar, durante un pequeño periodo de tiempo se sincronizan, llegan todas a la vez al máximo, y se genera una auténtica pared de agua que se lleva todo por delante.

Algo parecido puede ocurrir en los sistemas eléctricos. Mucha gente piensa que la electricidad es como el agua, que fluye de forma continua por las tuberías. Pero no es así; la corriente de la red eléctrica es alterna: oscila como una onda. Por eso es muy importante que todos los sistemas que vuelcan electricidad en la red estén sincronizados. Por decirlo así, todos tienen que subir y bajar al mismo tiempo. Cuando esto no ocurre, se empiezan a propagar ondas de forma desordenada, como en el mar, que pueden acabar provocando daños graves en la infraestructura eléctrica.

Si la frecuencia no está perfectamente afinada en la red, puede darse el caso de que en determinados sitios la tensión baje a cero de golpe –lo que produce apagones en cascada– y en otros que la potencia se junte por completo, se sincronice y sea 10 o 20 veces mayor de lo que tendría que ser. Cuando esto ocurre, no hay nada que lo resista: literalmente las líneas de alta tensión y las estaciones transformadoras se desintegran.


Los peligros de una gran red interconectada

Obviamente, la formación de este tipo de turbulencias es un riesgo que Red Eléctrica Española y el regulador europeo siempre están vigilando. El problema es que las posibilidades de que ocurran eventos de este tipo han ido en aumento a medida que se han ido instalando más y más sistemas renovables en una red cada vez más grande e interconectada.

Los mecanismos de protección de la red eléctrica europea (en la que la frecuencia es de 50 hercios) están pensados para un modelo de grandes centrales –hidroeléctricas, térmicas, nucleares, de ciclo combinado, etc.– que suministran mucha potencia. Cuando una anomalía supera el umbral de los 0,2 hercios durante más de dos minutos, el sistema desconecta la parte de la red en la que se está produciendo la perturbación. Lo que pasa es que ahora, además de grandes centrales, tenemos un gran número de unidades de producción que generan menos cantidad de energía –paneles solares y turbinas eólicas, fundamentalmente–en una red que se ha integrado a escala europea y que, por tanto, es mucho más grande. En este esquema, las anomalías se producen con mayor frecuencia y se propagan en tiempos mucho más cortos, por lo que el umbral de tolerancia establecido resulta excesivamente relajado. Esto está generando problemas continuamente. De hecho, el 8 de enero de este año hubo un incidente grave: una subfrecuencia en Croacia se combinó con una superfrecuencia en Alemania y no hubo más remedio que separar la red en dos.

Si los problemas suceden sobre todo en Europa Central no es por casualidad. Alemania en 20 años ha pasado de producir un 6% de su electricidad con energías renovables a un 38%. Además, ha integrado su red de alta tensión con la de sus vecinos de forma mucho más intrincada que en otras partes del continente.

Desde el punto de vista económico, resultaba muy interesante integrar todas las redes del continente lo máximo posible para transportar la energía intermitente de las renovables. Si el viento sopla en Polonia, pero no en Galicia, ¿por qué no llevar la energía de un lugar al otro? Lo que pasa es que en Europa Central este planteamiento se ha llevado a cabo sin instalar sistemas adicionales de estabilización, que hubieran encarecido el coste de la implantación de las energías renovables.

Por fortuna, actualmente España está relativamente a salvo de este riesgo. Como nuestra red eléctrica está poco interconectada con la del resto del continente, en caso de que se produzca una ola monstruo eléctrica en Europa, será relativamente sencillo desconectarnos mientras dure el peligro. En cualquier caso, esto debería hacernos reflexionar y ser más previsores a la hora de implantar nuevos sistemas renovables en nuestro territorio.


*
Antonio Turiel es investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Mar. Su trabajo se centra en la oceanografía por satélite, pero es también un experto en recursos energéticos. En el blog The Oil Crash y el libro Petrocalípsis analiza el agotamiento de los combustibles fósiles y las dificultades de la transición a un modelo ‘eléctrico’ de renovables.

Superconductividad: física cuántica que puedes ver

María José CalderónPor María José Calderón*

Hace 104 años, el 8 de abril de 1911, en un laboratorio de Leiden (Holanda) se descubrió un fenómeno que aún no comprendemos completamente: la superconductividad. Unos años antes, Heike Kamerlingh Onnes había conseguido condensar el helio y de esta forma bajar la temperatura hasta -269ºC, muy cerca del cero absoluto (a -273ºC). Este logro, por el que Onnes recibiría el premio Nobel en 1913, permitió la realización de experimentos a temperaturas muy bajas que abrió nuevos horizontes en el estudio de las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales.

Onnes centró su atención en estudiar cómo conducían la electricidad los metales a temperaturas extremadamente bajas. Eligió el mercurio, que es sólido a esas temperaturas, y encontró un comportamiento completamente inesperado: a casi -269ºC, y de forma abrupta, los aparatos de medida no registraban ninguna resistencia al paso de la corriente.

Los metales normales siempre presentan resistencia debido a la interacción de los electrones entre ellos y con el movimiento de los átomos del sólido. Dicha resistencia produce una pérdida de la energía de los electrones en forma de calor. Este es el efecto Joule, que puede resultar muy útil para hacer un calefactor eléctrico o un secador, pero que también es el responsable de una significativa pérdida de energía eléctrica en su transporte desde los puntos de producción a los de consumo. Para contrarrestar la pérdida de energía tenemos que conectar los metales a pilas u otras fuentes de voltaje. Sin embargo, en un superconductor, una vez que se ha establecido el paso de corriente, esta persiste para siempre.

Otra propiedad de los superconductores, asociada de forma fundamental a la conducción sin resistencia, es que expulsan los campos magnéticos. Este es el efecto Meissner, descubierto en 1933. Una consecuencia espectacular de este efecto es que un superconductor levita sobre un imán (o viceversa).

Aunque parezca extraño, la superconductividad es mucho más común de lo que parece. ¡Los materiales superconductores se cuentan por cientos! Sin embargo, todos ellos son metales a temperatura ambiente y tenemos que enfriarlos mucho, a temperaturas muy por debajo de las que se registran en los lugares más fríos de la Tierra, para que sean superconductores. Afortunadamente, la temperatura crítica máxima por debajo de la cual los materiales superconducen está ahora muy por encima de los -269ºC del mercurio. Los materiales cupratos, descubiertos en 1986, superconducen por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (-196ºC), por lo que es relativamente fácil enfriarlos.

Levitacion

Imán levitando sobre un superconductor enfriado con nitrógeno líquido durante una actividad de divulgación del CSIC.

Los superconductores ya se usan en múltiples aplicaciones y se prevé que jueguen un papel fundamental en las tecnologías del futuro en campos como la energía, el medio ambiente, el transporte, la nanotecnología y la salud. Precisamente en este ámbito, ya se utilizan potentes electroimanes fabricados con cables superconductores en equipos de resonancia magnética.

Las aplicaciones podrán ser aún más amplias cuanto más se conozca la naturaleza de estos materiales, cuyas claves se han ido desgranando poco a poco a lo largo de la historia. Por ejemplo, la primera explicación microscópica de la superconductividad data de 1957. Bardeen, Cooper y Schrieffer dieron con la clave para explicar por qué los electrones en los superconductores se comportaban de forma diferente y se les distinguió con el premio Nobel de Física de 1972 por ello. Esta es la llamada teoría BCS. En pocas palabras, los electrones se asocian formando los llamados pares de Cooper. Estos pares no son independientes unos de otros sino que todos saben lo que están haciendo los demás, como en una danza bien ensayada, y así pueden moverse sin encontrar ningún tipo de resistencia a su movimiento. Aunque contado así parezca trivial, fue necesario el desarrollo de la física cuántica para llegar a entender este comportamiento colectivo de los electrones.

Pero, ¿por qué se asocian los electrones para formar parejas? ¿No se supone que dos cargas eléctricas iguales se repelen? Así es, pero los electrones que conducen la electricidad están inmersos en un material por lo que están sometidos a otros tipos de interacciones. En los llamados superconductores convencionales, que se descubrieron en las primeras décadas del siglo XX, los iones vibran de tal forma que los electrones prefieren formar parejas (porque minimizan su energía). Hay otros muchos superconductores, los no convencionales, en los que los electrones también forman parejas, pero aún no sabemos qué les empuja a ello.

La última gran familia de superconductores, basados en hierro, se descubrió en 2008. Tras 104 años de investigación en este campo aún quedan incógnitas por resolver y mucha tecnología por desarrollar.

*María José Calderón investiga, junto con Belén Valenzuela y Leni Bascones, los nuevos superconductores de hierro en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC. Puedes saber más sobre superconductividad en su web de divulgación y seguir sus noticias a través de su twitter.