Ученые из Карлсруэ (Германия) и Университета Цукуба (Япония) разработали инновационную систему твердотельного охлаждения, которая способна генерировать охлаждение, используя тепловую энергию для создания необходимого механического движения. Этот прорыв потенциально открывает путь к процессорам и центрам обработки данных, которые смогут перерабатывать собственное избыточное тепло для охлаждения, уменьшая потребность в электроэнергии. Система, детально описанная в издании Nature Energy, заменяет стандартный электрический привод в эластокалорическом охлаждении на сплав с эффектом памяти формы, реагирующий на температуру.
Прототип устройства состоит из двух сверхтонких металлических пленок, которые функционируют как актуатор и хладагент. Пленка из титан-никелевого сплава (TiNi) толщиной 22 микрометра, обладающая эффектом памяти формы, сокращается под действием тепла, преобразуя тепловую энергию в механическое движение. Это движение приводит к растяжению и освобождению 26,5-микрометровой пленки-хладагента из титан-никель-железного сплава (TiNiFe). Это, в свою очередь, вызывает обратимое фазовое изменение, генерирующее охлаждение. Во время лабораторных испытаний нагревание актуатора до 86°C с помощью эффекта Джоуля привело к температурному перепаду в 12,9 К в пределах пленки-хладагента. Для собранного охлаждающего устройства этот показатель составил 4,0 К между его горячей и холодной сторонами.
Когда исследователи заменили джоулево нагревание на внешний источник тепла с температурой 130°C, прототип все равно продемонстрировал температурный перепад на уровне 2,2 К для устройства. Это подтверждает возможность использования внешнего теплового источника для привода механизма охлаждения. Современные системы охлаждения и кондиционирования воздуха преимущественно используют испарительно-компрессионное охлаждение, которое эффективно, но требует электрического компрессора и часто использует хладагенты со значительным потенциалом глобального потепления.
В отличие от этого, твердотельное охлаждение обеспечивает перемещение тепла без традиционного цикла компрессора и хладагента. Электротермические охладители, например, используют электрический ток для создания разницы температур между полупроводниковыми материалами и уже распространены в компактной электронике. Однако, по словам разработчиков, термоэлектрические устройства достигают лишь 10-15% от теоретической эффективности цикла Карно, что значительно ниже показателей современных систем испарительно-компрессионного охлаждения.
Эластокалорическое охлаждение базируется на другом физическом принципе. Определенные сплавы с эффектом памяти формы изменяют свою кристаллическую структуру под действием механической нагрузки и ее снятия. Применение напряжения индуцирует фазовое изменение, которое высвобождает скрытое тепло и нагревает материал. После отвода этого тепла, снятие нагрузки возвращает фазу, вызывая поглощение тепла и охлаждение. Таким образом, твердый сплав фактически выполняет функцию хладагента.
Основным препятствием является необходимость многократного растяжения и освобождения материала. Существующие эластокалорические системы обычно используют электродвигатели, гидравлические системы или электромеханические актуаторы для обеспечения необходимого усилия. Это добавляет потребление электроэнергии, объем и механическую сложность, что является проблематичным для миниатюрных охладителей. Команда KIT-Tsukuba решила эту проблему, используя один сплав с эффектом памяти формы для управления другим. Нагревание актуаторной пленки TiNi приводит к ее восстановлению первоначальной формы и сокращению. Механически соединенная с пленкой-хладагентом TiNiFe, эта пленка обеспечивает силу, необходимую для цикла охлаждения. При циклическом нагревании и охлаждении актуатора происходит нагрузка и разгрузка хладагента без использования электрического двигателя.
Рассмотрим работу системы подробнее. Ученые используют сплав с эффектом памяти формы (пленка-хладагент TiNiFe), который охлаждается после растяжения. Вместо использования механической системы для многократного растяжения и освобождения этого сплава, они применяют другой сплав (TiNi), который сокращается при нагревании, и механически соединяют его с охлаждающим аналогом. Когда TiNi нагревается, он сокращается, растягивая и «нагружая» пленку-хладагент. После удаления тепла, TiNi расслабляется, освобождая пленку и вызывая фазовое изменение, которое приводит к охлаждению. Таким образом, при циклическом нагревании сплав TiNi обеспечивает повторяющееся движение растяжения и освобождения, необходимое для эластокалорического охлаждения TiNiFe.
Термоактуатор продемонстрировал соотношение силы к перемещению 14,5 Н/мм, по сравнению с 1,1 Н/мм у коммерческого электромеханического актуатора, который использовался для сравнения. Тонкие пленки также обеспечивают высокое соотношение поверхности к объему для быстрого теплообмена. При актуации за счет эффекта Джоуля интегрированное устройство достигло стабильного температурного перепада 4,0 К после 20 циклов и удельной мощности охлаждения 4,43 Вт/г. При работе от внешнего источника тепла эти показатели снизились до 2,2 К и 3,32 Вт/г соответственно.
Результат работы от внешнего источника тепла является ключевым подтверждением концепции. Хотя эта технология находится на ранней стадии лабораторных исследований, ее масштабируемая и усовершенствованная версия может иметь значительные перспективы. Обычно тепло, необходимое для работы системы, генерируется из электричества или другой формы энергии. Однако, идеальным сценарием является перепрофилирование имеющегося избыточного тепла, что уже возможно реализовать в центрах обработки данных. Таким образом, технология имеет потенциал для охлаждения процессоров с использованием тепла, которое они сами генерируют.
Тем не менее, применение этой технологии для охлаждения центров обработки данных еще далеко от реализации. Прототип генерирует лишь 2,09 милливатт мощности охлаждения при нулевом температурном подъеме. Это намного меньше, чем тепловые нагрузки современных процессоров, не говоря уже об ускорителях искусственного интеллекта или стойках центров обработки данных. Исследователи также указывают на относительно медленную актуацию, ограниченную скорость деформации и текущую геометрию теплообменника как факторы, ограничивающие производительность. Необходимо также разработать способ циклического нагрева.
Команда работает над параллельным соединением нескольких пленок для увеличения мощности охлаждения. Дальнейший прогресс потребует масштабирования активного материала, улучшения теплообмена и рабочей частоты, а также доказательства долговечности. На данный момент исследователи продемонстрировали базовую энергетическую цепь, в которой тепло может быть преобразовано в механическое движение, а это движение, в свою очередь, может быть преобразовано в полезное охлаждение без электрического двигателя, управляющего циклом охлаждения.
