Cuando el profesor Fang Peng de la Facultad de Ingeniería de FAMU-FSU era un niño, vio de primera mano el poder y los peligros de la electricidad. Estaba en la escuela secundaria cuando su remota ciudad natal china recibió por primera vez servicio eléctrico. Su familia compartía una única bombilla portátil de 15 vatios conectada a un cable. Su trabajo era reemplazar la bombilla.
“Una noche, la bombilla se fundió y traté de cambiarla en total oscuridad”, dijo Peng. “Accidentalmente metí el pulgar izquierdo en el hueco y de inmediato me quedé en shock. Perdí el equilibrio y caí al suelo de tierra, temblando mientras la electricidad atravesaba mi cuerpo. Por suerte, mi mano derecha se enredó con el cable y me arrancó el enchufe de la mano izquierda, de lo contrario no habría sobrevivido”.
Después de esa experiencia cercana a la muerte, Peng vio la electricidad como un desafío. El trabajo de su vida fue estudiar el fenómeno y “domesticar a la bestia” que lo ponía en peligro pero que también permitía a su familia ver de noche.
La última investigación de Peng continúa esa misión. En un estudio publicado en Informes científicos, muestra cómo un semiconductor El dispositivo que creó, llamado inversor de fuente Z, puede reducir rápidamente el voltaje y la corriente en caso de un cortocircuito o una falla de circuito abierto.
Los mecanismos de seguridad existentes que detienen la electricidad durante una falla funcionan rápidamente, pero no siempre con la suficiente rapidez. Un disyuntor típico podría tardar unos 50 milisegundos en activarse, tiempo suficiente para matar a una persona o provocar un incendio. El convertidor/inversor de fuente Z digital de Peng puede proteger en 5 microsegundos o 1,000 veces más rápido.
Cuando un circuito funciona normalmente, las líneas y cables eléctricos transportan corriente eléctrica a lo largo de una larga distancia desde los generadores hasta los usuarios finales, cuyo uso se denomina carga en un sistema eléctrico. Los ingenieros normalmente quieren que funcione lo más fuerte posible para proporcionar energía a los usuarios finales. Pero la corriente viaja a través del objeto cuando algo rompe o provoca un cortocircuito en el circuito, como un árbol caído. Los destellos eléctricos que alcanzan los 35,000 grados Fahrenheit pueden hacer que los objetos que entran en contacto con el circuito se calienten rápidamente y ardan con intensidad.
El interruptor electrónico de Peng detecta cortocircuitos más rápido que los métodos existentes. También puede manejar una amplia gama de voltajes de entrada sin necesidad de componentes adicionales. Esta flexibilidad lo hace útil en situaciones donde el suministro de energía no es constante o cuando necesita trabajar con diferentes niveles de voltaje de manera eficiente.
"Desarrollamos una forma para que la fuente de energía responda mejor a la carga", dijo. "Sin que los usuarios finales se den cuenta, podemos restablecer inmediatamente la normalidad de la red eléctrica sin que se produzca una sobrecorriente".
Las líneas eléctricas caídas provocan cientos de incendios forestales cada año en los Estados Unidos. Los incendios forestales de Maui de 2023 fueron algunos de los más mortíferos en la historia de Estados Unidos. Según la Asociación Nacional de Protección contra Incendios, ese incendio comenzó cuando se encendió un árbol que había caído sobre una línea eléctrica.
"El propósito de nuestro estudio es hacer que la fuente de energía (voltaje) responda mejor a las condiciones de carga", dijo Peng. “Si hay una corriente inesperadamente grande, queremos reducir el voltaje a un rango seguro para evitar incendios. Los generadores tradicionales siguen generando un voltaje constante independientemente de la corriente”.
La solución de Peng se puede utilizar para modernizar la infraestructura existente y hacerla más segura.
Diversificar la red eléctrica con fuentes de energía renovables como turbinas eólicas, células fotovoltaicas y pilas de combustible es una forma de regular los aumentos y disminuciones de voltaje.
"Además de las energías renovables, otra forma de prevenir los aumentos repentinos de energía es regular artificialmente el sistema con un convertidor de energía", dijo Peng. “Ya sea natural o artificial, queremos crear algo que funcione de forma autónoma con autoprotección, resiliencia y redundancia. Una idea es utilizar una resistencia virtual implementada por electrónica de potencia y control para proporcionar amortiguación y estabilización del sistema de circuito”.
Gran parte de la red eléctrica de Estados Unidos se construyó y amplió en las décadas de 1960 y 1970. Además de los incendios provocados por líneas eléctricas caídas, el envejecimiento de la infraestructura plantea otros problemas, como cortes de energía o vulnerabilidad a ataques cibernéticos.
“Es hora de rehacer nuestras redes y 'domesticar a la bestia' con la electrónica de potencia, una nueva tecnología la tecnología que comenzó a florecer en la década de 1980, cuando comencé mi carrera de investigación”, dijo Peng. “Tuve mucha suerte de convertirme en un protegido de varios pioneros y líderes mundiales de la electrónica de potencia. Se necesita una aldea para criar a un niño, y se necesita toda la sociedad/el mundo para hacer realidad esta nueva red”.