Науковці з Карлсруе (Німеччина) та Університету Цукуба (Японія) розробили інноваційну систему твердотільного охолодження, яка здатна генерувати охолодження, використовуючи теплову енергію для створення необхідного механічного руху. Цей прорив потенційно відкриває шлях до процесорів та центрів обробки даних, які зможуть переробляти власне надлишкове тепло для охолодження, зменшуючи потребу в електроенергії. Система, детально описана у виданні Nature Energy, замінює стандартний електричний привід у еластокалоричному охолодженні на сплав з ефектом пам’яті форми, що реагує на температуру.
Прототип пристрою складається з двох надтонких металевих плівок, які функціонують як актуатор та холодоагент. Плівка з титан-нікелевого сплаву (TiNi) товщиною 22 мікрометри, що має ефект пам’яті форми, скорочується під дією тепла, перетворюючи теплову енергію на механічний рух. Цей рух призводить до розтягування та звільнення 26,5-мікрометрової плівки-холодоагенту з титан-нікель-залізного сплаву (TiNiFe). Це, своєю чергою, викликає оборотну фазову зміну, що генерує охолодження. Під час лабораторних випробувань нагрівання актуатора до 86°C за допомогою ефекту Джоуля призвело до температурного перепаду в 12,9 К в межах плівки-холодоагенту. Для зібраного охолоджувального пристрою цей показник склав 4,0 К між його гарячою та холодною сторонами.
Коли дослідники замінили джоулеве нагрівання на зовнішнє джерело тепла з температурою 130°C, прототип все одно продемонстрував температурний перепад на рівні 2,2 К для пристрою. Це підтверджує можливість використання зовнішнього теплового джерела для приводу механізму охолодження. Сучасні системи охолодження та кондиціонування повітря переважно використовують випаровувально-компресійне охолодження, яке є ефективним, але вимагає електричного компресора та часто використовує холодоагенти зі значним потенціалом глобального потепління.
На противагу цьому, твердотіллове охолодження забезпечує переміщення тепла без традиційного циклу компресора та холодоагенту. Електротермічні охолоджувачі, наприклад, використовують електричний струм для створення різниці температур між напівпровідниковими матеріалами і вже поширені в компактній електроніці. Однак, за словами розробників, термо-електричні пристрої досягають лише 10-15% від теоретичної ефективності циклу Карно, що значно нижче показників сучасних систем випаровувально-компресійного охолодження.
Еластокалоричне охолодження базується на іншій фізичній принципі. Певні сплави з ефектом пам’яті форми змінюють свою кристалічну структуру під дією механічного навантаження та його зняття. Застосування напруги індукує фазову зміну, яка вивільняє приховане тепло і нагріває матеріал. Після відведення цього тепла, зняття навантаження повертає фазу, викликаючи поглинання тепла та охолодження. Таким чином, твердий сплав фактично виконує функцію холодоагенту.
Основною перешкодою є необхідність багаторазового розтягування та звільнення матеріалу. Існуючі еластокалоричні системи зазвичай використовують електродвигуни, гідравлічні системи або електромеханічні актуатори для забезпечення необхідного зусилля. Це додає споживання електроенергії, об’єму та механічної складності, що є проблематичним для мініатюрних охолоджувачів. Команда KIT-Tsukuba вирішила цю проблему, використовуючи один сплав з ефектом пам’яті форми для керування іншим. Нагрівання актуаторної плівки TiNi призводить до її відновлення початкової форми та скорочення. Механічно з’єднана з плівкою-холодоагентом TiNiFe, ця плівка забезпечує силу, необхідну для циклу охолодження. При циклічному нагріванні та охолодженні актуатора відбувається навантаження та розвантаження холодоагенту без використання електричного двигуна.
Розглянемо роботу системи детальніше. Науковці використовують сплав з ефектом пам’яті форми (плівка-холодоагент TiNiFe), який охолоджується після розтягування. Замість використання механічної системи для багаторазового розтягування та звільнення цього сплаву, вони застосовують інший сплав (TiNi), який скорочується при нагріванні, і механічно з’єднують його з охолоджувальним аналогом. Коли TiNi нагрівається, він скорочується, розтягуючи та “навантажуючи” плівку-холодоагент. Після видалення тепла, TiNi розслабляється, звільняючи плівку і викликаючи фазову зміну, яка призводить до охолодження. Таким чином, при циклічному нагріванні сплав TiNi забезпечує повторюваний рух розтягування та звільнення, необхідний для еластокалоричного охолодження TiNiFe.
Термоактуатор продемонстрував співвідношення сили до переміщення 14,5 Н/мм, порівняно з 1,1 Н/мм у комерційного електромеханічного актуатора, який використовувався для порівняння. Тонкі плівки також забезпечують високе співвідношення поверхні до об’єму для швидкого теплообміну. При актуації за рахунок ефекту Джоуля інтегрований пристрій досяг стабільного температурного перепаду 4,0 К після 20 циклів та питомої потужності охолодження 4,43 Вт/г. При роботі від зовнішнього джерела тепла ці показники знизилися до 2,2 К та 3,32 Вт/г відповідно.
Результат роботи від зовнішнього джерела тепла є ключовим підтвердженням концепції. Хоча ця технологія перебуває на ранній стадії лабораторних досліджень, її масштабована та вдосконалена версія може мати значні перспективи. Зазвичай, тепло, необхідне для роботи системи, генерується з електрики або іншої форми енергії. Однак, ідеальним сценарієм є перепрофілювання наявного надлишкового тепла, що вже можливо реалізувати в центрах обробки даних. Таким чином, технологія має потенціал для охолодження процесорів з використанням тепла, яке вони самі генерують.
Проте, застосування цієї технології для охолодження центрів обробки даних ще далеке від реалізації. Прототип генерує лише 2,09 міліват потужності охолодження при нульовому температурному підйомі. Це набагато менше, ніж теплові навантаження сучасних процесорів, не кажучи вже про прискорювачі штучного інтелекту або стійки центрів обробки даних. Дослідники також вказують на відносно повільну актуацію, обмежену швидкість деформації та поточну геометрію теплообмінника як фактори, що обмежують продуктивність. Необхідно також розробити спосіб циклічного нагрівання.
Команда працює над паралельним з’єднанням кількох плівок для збільшення потужності охолодження. Подальший прогрес вимагатиме масштабування активного матеріалу, покращення теплообміну та робочої частоти, а також доведення довговічності. Наразі дослідники продемонстрували базовий енергетичний ланцюг, в якому тепло може бути перетворене на механічний рух, а цей рух, у свою чергу, може бути перетворений на корисне охолодження без електричного двигуна, що керує циклом охолодження.
