סמארטפונים, טאבלטים, מחשבים ניידים ושאר מכשירים שנכנסים לכיס או לתיק הפכו כבר מזמן לחלק בלתי נפרד מהחיים שלנו. אנחנו בקושי נפרדים מהם וסוחבים אותם איתנו לכל מקום. מצד אחד, זה די נוח, לאור העובדה שעם השנים הם הפכו לדקים וקלים יותר, אבל מצד שני, המטענים שלהם לא עומדים בקצב, וחלקם אף הופכים לגדולים ומסורבלים יותר עם הזמן, מפני שהיצרניות מוסיפות להם עוד ועוד רכיבים שעוזרים להם להטעין את המכשירים שלנו מהר יותר ושומרים עליהם ועל המטען עצמו מפני טעינת יתר והתחממות.

2020 היא השנה שבה זה מתחיל להשתנות - והכל בזכות חומר אחד

גליום ניטריד (GaN) היא תרכובת שעשויה משני יסודות: ניטריד (N) - כלומר חנקן, הגז שמהווה כ- 75% מהאוויר על פני כדור הארץ, וגליום (Ga) - מתכת שלכאורה מזכירה כספית, בכך שצבעה כסוף-בהיר והיא נמסה בטמפרטורה של כ- 30 מעלות צלזיוס (או במלים אחרות: טמפרטורת החדר במישור החוף בלי מזגן).

גליום התגלה לפני 145 שנים בפריז, אך רוב תכונותיו כבר נחזו 4 שנים קודם לכן על ידי דמיטרי מנדלייב (Dmitri Mendeleev), יוצר הטבלה המחזורית של היסודות. אחד השימושים הראשונים שלו היה כחלק מתרכובות להלחמה, בשל נקודת ההתכה הנמוכה שלו - אך עם הזמן החלו להתגלות שימושים אחרים שהוא טוב עבורם.

בשל התכונות של גבישי התרכובת גליום-ניטריד, היא הפכה בשנות ה- 90 לרכיב המרכזי בטרנזיסטורים ונורות LED, במיוחד כאלו הפולטות אור כחול. הלייזרים הכחולים עליהם התבסס פורמט הדיסקים בלוריי (Blu-ray) התבסס גם על התרכובת הזו. במקביל, הרגישות הנמוכה שלו לקרינה הפכה אותו למועמד מועדף לקולטנים סולאריים בכלל, ובפרט כאלה המיועדים ללוויינים וגופים אחרים הנשלחים לחלל.

המבנה הגבישי של גליום ניטריד, קרדיט: ויקיפדיה

הסיבות שבגללן גליום-ניטריד עדיף על סיליקון

התכונות של התרכובת גרמו לתעשיית האלקטרוניקה לחקור אותה גם כאפשרות להחלפת הסיליקון - המוליך-למחצה שעליו מבוססים כל המכשירים בעשורים האחרונים. הסיליקון שירת את התעשייה באופן משביע רצון במשך זמן רב, והצליח לעמוד בקצב השדרוגים שלה לפי מה שנקרא "חוק מור" (Moore's law) - מעין הבחנה של מייסד אינטל, גורדון מור (Gordon Moore), שקבע ב- 1965 כי מספר הטרנזיסטורים שניתן לדחוס במעגל חשמלי בגודל מסוים מכפיל את עצמו בכל שנה, ולאחר עשור "תיקן" את הכלל להכפלה כל שנתיים.

אלא שבשנים האחרונות הגיעה התעשייה לניצול כמעט מושלם של הסיליקון, וחיפשה חומר חלופי בעל מוליכות גבוהה יותר ורגישות נמוכה יותר לחום, וכאן נכנס לתמונה הגליום ניטריד.

המוליכות החשמלית של גליום ניטריד פחות טובה משל מתכות אחרות, אך עדיין מאפשרת יעילות גבוהה בערך פי 1,000 מזו של סיליקון. מעבר לכך, גליום ניטריד מנצלת את החשמל באופן יעיל יותר, כך שיותר מהחשמל שנכנס אליה מצד אחד יוצא מהצד השני, והרבה פחות ממנו מומר לחום.

בזכות כל זה, גליום ניטריד הפכה לבסיס לדור חדש של מטענים. הם קטנים יותר, בשל העובדה שטרנזיטורים מבוססי GaN דורשים פחות רכיבים חיצוניים, ומהירים יותר, בזכות יעילות ההולכה המוגברת של החומר. כך, בשנה וחצי האחרונות החלו חברות להציג מטענים זעירים מבוססי גליום ניטריד המצליחים לייצא חשמל בהספק של 30 ואט, 60 ואט ואף מעבר לכך.

לצורך השוואה, 30 ואט הוא ההספק הדרוש להטענה מהירה של סמארטפון סטנדרטי מהשנים האחרונות, ומעט מאוד טלפונים תומכים בכלל בטעינה בהספק של 60 ואט ומעלה. 65 ואט מספיקים לתפעול שוטף של מחשב נייד ממוצע. בחודשים האחרונים כבר השיקו כמה יצרניות בעולם, כמו Anker, RAVPower, Baseus ו- Aukey, מטענים בעלי הספק של 100 ואף 120 ואט - כלומר, מספיק למחשב נייד המיועד לגיימינג ולטעינה מהירה של סמארטפון במקביל.

המטענים הללו מגיעים לרוב בגודל קטן מזה של מטענים נוכחיים מבוססי סיליקון בהספקים של 18-30 ואט, כך שהם יהיו ניידים משמעותית מאלה שהגיעו עם הסמארטפונים הנוכחיים שלכם.

מטען GaN של אנקר

לא רק מטעני USB מסורתיים משודרגים על ידי השימוש ב- GaN: גם מטענים אלחוטיים צפויים להשתפר בעקבות המעבר לטכנולוגיה החדשה. עד היום, תקן הטעינה האלחוטית Qi (מבוטא "צ'י") היה מוגבל מאוד במהירות ובטווח שלו, מכיוון שהמרת החשמל להעברה אלחוטית בזבזה חלק עצום ממנו וגרמה להתחממות הרכיבים.

הדור הבא של המטענים

בזכות היעילות המוגברת של גליום ניטריד, פחות חשמל יתבזבז בהמרה ופחות חום ייפלט, מה שיאפשר העברה של יותר ואטים ולמרחק מעט גדול יותר (אך עדיין כזה שנמדד בסנטימטרים, ולא במטרים). כתוצאה מכך, מכשירים ייטענו מהר יותר על משטחים אלחוטיים, וידרשו פחות משחק עד למציאת הנקודה המדויקת בה נפגשים סלילי ההטענה במשטח ובמכשיר.

אפילו חשבון החשמל עשוי להיות מושפע מכך, שכן לטווח ארוך, פחות חשמל יתבזבז ויותר ממנו יגיע למכשירים. כך הם גם ייטענו מהר יותר, וגם יצרכו בסופו של דבר פחות קוט"שים. עם זאת, השינוי הזה צפוי להיות קטן יחסית לשאר השינויים שהטכנולוגיה החדשה מבשרת.

כאן מגיעה השאלה הצפויה: מה המחיר ? גליום אינו חומר נפוץ מאוד, ותהליך ההפקה שלו ארוך יחסית וגורם לו להיות יקר יותר מסיליקון. עם זאת, היעילות המוגברת שלו, שמאפשרת לוותר על רכיבים חיצוניים שמעגלי סיליקון דורשים, מאפשרת להערכת יצרניות מעגלים לחסוך עד 10% מעלות הייצור.

מעבר לכך, היצרניות מצאו דרכים לייצר מעגלי GaN על אותם פסי ייצור שעד כה ייצרו מעגלי Si (סיליקון), מה שאומר שהתעשייה לא תצטרך לשנות באופן ניכר את המפעלים, ותוכל להעביר אותם לטכנולוגיה החדשה בעלות מינימלית. בנוסף, בזכות היכולת לדחוס טרנזיסטורי גליום ניטריד לגודל קטן בהרבה מסיליקון, פסי הייצור יכולים להפיק הרבה יותר טרנזיסטורים מהסוג החדש על מצעים (פיסות חומר בגודל מוגדר שעל גביהן מרוכזים רכיבים זעירים רבים בתהליך הייצור) בגודל זהה. כך, באותה עלות כמעט ניתן לייצר הרבה יותר טרנזיסטורים.

היכן ניתן לרכוש מטעני GaN ומה המחירים

למרות שתי הפסקאות הקודמות, כרגע מטעני GaN יקרים למדי, ומחיריהם מתחילים מכ- 20 דולרים לדגמים בסיסיים ביותר, ומגיעים לכמאה דולרים ואף מעבר לכך לדגמים המתקדמים שמסוגלים להטעין מחשב נייד וכמה סמארטפונים במקביל. עם זאת, הסיבה היא פחות עלות הייצור ויותר העובדה שכרגע מדובר עדיין בייצור בקנה מידה קטן יחסית. ככל שיותר פסי ייצור ומפעלים יוסבו לגליום ניטריד, המחיר ליחידה יירד, והתחרות גם תגרום לחברות להוריד את שולי הרווח שלהן על המטענים הללו.

כך, תוך שנתיים-שלוש, צפויים להפוך מטעני GaN לנפוצים ואף סטנדרטיים למדי, ולהפוך את תיקי הנסיעות שלנו לקלים יותר מאי פעם, מבלי להשאיר אף אחד מהמכשירים שלנו בלי מקור אנרגיה צמוד.