Likström (DC) driver ficklampor, smartphones och elbilar, men stora energianvändare är beroende av växelström (AC), som cyklar på och av 60 gånger per sekund. Bland anledningarna:AC är enkelt att stänga av när det finns ett problem – känt som ett fel – som att ett träd faller på en kraftledning.

Men DC har inneboende fördelar jämfört med sin alternerande kusin, bland dem högre effektivitet och förmågan att bära mer kraft över längre avstånd. Det kan bli allt viktigare eftersom vindkraftsparker på landsbygden producerar kraft som behövs i befolkningscentra. Och framtida elektriska flygplan och fartyg kommer sannolikt att drivas av DC-system med hög effekttäthet.

Växelström kan stängas av när effektnivån når noll under en cykel – nollgenomgångspunkten för en sinusvåg – vilket är grunden för brytare som skyddar moderna kraftsystem överallt från transformatorstationer till hemmainstallationer. Utan dessa alternerande cykler, dock, likström har ingen lämplig tid att stänga av strömmen.

Ny teknik finansierad av ett pris på 3,3 miljoner dollar från ARPA-E:s BREAKERS-program kan hjälpa till att lösa det problemet med hjälp av innovationer inom kraftelektronik, piezoelektriska ställdon, och nya isoleringsmaterial för att göra likströmsbrytare med hög effekt möjliga. Forskare från Georgia Institute of Technology och Florida State University (FSU) förväntar sig att möjliggöra brytarväxlingshastigheter tio gånger snabbare än befintlig utrustning och kommersialisera tekniken genom ett konsortium av industripartners.

"Övergången från AC till DC, som redan händer, kommer att öppna upp ett nytt paradigm för att effektivt och kontrollerbart hantera kraft i framtida elektriska system och militära plattformar, " sa Michael "Mischa" Steurer, en forskningsfakultetsmedlem vid Florida State Universitys Center for Advanced Power Systems. "Detta kommer att möjliggöras av den fantastiska utveckling som har hänt under de senaste två decennierna inom kraftelektronik."

Hybridbrytaren som är under utveckling av forskargruppen kommer att använda högar av mycket stora transistorer för att stänga av DC vid behov. Halvledare är mindre effektiva på att leda ström än konventionella mekaniska brytare, så under vanliga förhållanden, strömmen kommer att flyta genom mekaniska brytare. Men när strömmen måste stängas av, ström kommer kort att ledas genom kraftelektroniken tills de mekaniska brytarna kan öppnas.

"Vi föreslår en hybrid likströmsbrytare där strömmen kommer att ha två vägar, " förklarade Lukas Graber, en biträdande professor vid School of Electrical and Computer Engineering vid Georgia Tech. "En väg kommer att gå genom halvledarna, som kan avbryta strömmen vid behov. Den andra vägen kommer att gå genom mekaniska omkopplare, vilket kommer att ge en mycket mindre resistiv väg som kommer att vara mer effektiv för normala operationer."

I vanliga hemelektroniktillämpningar, transistorer är för små för att se och hantera bara några få volt. Transistorerna som kommer att användas i DC-växling är mycket större - en kvadratcentimeter - och dussintals eller hundratals av dem skulle kombineras i serie eller parallellt för att ge tillräckligt med kapacitet för att växla tusentals volt. Efter att strömmen har flyttats till halvledartransistorvägen, piezoelektriska ställdon kommer snabbt att separera kontakterna i de mekaniska omkopplarna innan strömmen stiger för högt i transistorerna. När separerat, strömmen genom transistorerna kan stängas av.

"Vi måste vara extremt snabba, ", sa Graber. "Vi måste separera kontakterna inom 250 mikrosekunder och att helt bryta strömmen inom 500 mikrosekunder – bara en halv millisekund. Av den anledningen, vi kan inte använda fjäderbelastade eller hydrauliska ställdon som är vanliga för AC-brytare. Enheter som förlitar sig på den piezoelektriska effekten kan göra det för oss."

Georgia Tech och FSU-forskare har utvecklat immateriella rättigheter för komponenter i de föreslagna DC-brytarna, och kommer att arbeta tillsammans för att kombinera teknikerna. Projektet är känt som Efficient DC Interrupter with Surge Protection (EDISON).

"Vi kommer att kombinera styrkorna hos väsentligt olika teknologier – solid state och mekaniska – till ett system som fungerar bättre överlag än dess individuella komponenter, " sade Steurer. "Delarna av systemet måste samarbeta sömlöst inom en halv millisekund för att uppnå vårt mål."

Forskarna – inklusive docent Maryam Saeedifard, VentureLab-rektor Jonathan Goldman, och postdoktor Chanyeop Park vid Georgia Tech och professor Fang Peng, Forskningsfakulteten Karl Schoder, och biträdande professor Yuan Li vid FSU — förväntar sig att bygga en prototyp som kommer att testas vid FSU:s testanläggning på fem megawatt inom tre år. Utvecklingen och testningen kommer att göras i samarbete med ett team av industriella partners som i slutändan kommer att övergå likströmsbrytarna till kommersiell användning.

Likström kan vara särskilt användbart eftersom mer förnybar energi kommer online. Solceller i väster kan fortfarande generera ström efter att solen gått ner i öster. Vindkraftverk kan producera kraft i mitten av landet medan moln täcker andra delar av landet. Att överföra kraft från en plats till en annan kan därför bli viktigare.

"Det finns stora avstånd att överbrygga med förnybar energi, ", sa Graber. "När vi tänker om hur nästa rutnät kommer att se ut, DC kan spela en större roll."

För dem som känner till elkraftens historia, verket öppnar ett nytt kapitel i en berättelse som går tillbaka nästan ett och ett halvt sekel till två av de mest hyllade uppfinnarna genom tiderna.

De relativa fördelarna med DC kontra AC utgjorde grunden för "Strömkriget" mellan uppfinnarna Thomas Edison och Nickolas Tesla på 1880-talet. Edison, en förespråkare för DC, förlorade till slut mot Teslas AC. Men hade Edison kunnat använda modern kraftelektronik, historien kan ha sett annorlunda ut.

"Edison hade rätt, men då hade han fel, " sa Graber. "DC kommer tillbaka starkt, och vi kommer att vara med och göra det praktiskt."