Команда ученых из Германии и Японии продемонстрировала твердотельную систему охлаждения, которая использует тепло для генерации механической работы, необходимой для охлаждения, что потенциально открывает путь к процессорам и центрам обработки данных, повторно использующим часть собственного отработанного тепла для охлаждения. Разработанная исследователями из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Цукубы, система — подробно описанная в Nature Energy 28 августа — заменяет электрический привод, обычно требуемый для эластокалорического охлаждения, теплочувствительным сплавом с памятью формы, позволяя циклу охлаждения работать от внешнего источника тепла, а не от двигателя.
Прототип объединяет две сверхтонкие металлические пленки, которые служат приводом и хладагентом. Пленка из никель-титанового (TiNi) сплава с памятью формы толщиной 22 микрометра сжимается при нагревании, преобразуя тепловую энергию в механическое движение. Это движение растягивает и отпускает пленку хладагента из никель-титаново-железного (TiNiFe) сплава толщиной 26,5 микрометра, запуская обратимый фазовый переход, который производит охлаждение. В лабораторных испытаниях нагрев привода джоулевым теплом до 86°C обеспечил перепад температур 12,9 K на пленке хладагента — разницу между ее самым горячим и самым холодным состояниями в течение цикла охлаждения — и перепад 4,0 K на собранном охлаждающем устройстве, измеренный между его горячей и холодной сторонами. Когда исследователи заменили резистивный нагрев внешним источником тепла с температурой 130°C, прототип по-прежнему поддерживал перепад температур 2,2 K на уровне устройства, что демонстрирует, что внешний тепловой источник может приводить в действие механизм охлаждения.
Обычные холодильные системы и кондиционеры в основном используют парокомпрессионное охлаждение. Компрессор повышает давление и температуру хладагента, который затем сбрасывает тепло в конденсаторе, прежде чем расшириться и испариться при низком давлении, поглощая тепло из охлаждаемого пространства. Технология зрелая и эффективная, но требует электрического компрессора и зависит от хладагентов со значительным потенциалом глобального потепления.
Твердотельное охлаждение перемещает тепло без обычного контура «компрессор-хладагент». Термоэлектрические охладители, например, используют электрический ток для создания разницы температур на полупроводниковых материалах и уже широко применяются в компактной электронике. Однако исследователи отмечают, что термоэлектрические устройства обычно достигают лишь 10–15% теоретического предела эффективности обратного цикла Карно, что примерно в четыре раза меньше, чем у современных парокомпрессионных систем.
Эластокалорическое охлаждение идет другим путем. Некоторые сплавы с памятью формы изменяют кристаллическую структуру при механической нагрузке и разгрузке. Приложение напряжения вызывает фазовый переход, который выделяет скрытое тепло и нагревает материал. После отвода этого тепла снятие нагрузки обращает переход вспять, заставляя материал поглощать тепло и охлаждаться. Твердый сплав фактически становится хладагентом.
Проблема в том, что материал все равно приходится многократно растягивать и отпускать. Существующие эластокалорические системы обычно используют двигатели, гидравлические системы или электромеханические приводы для создания необходимого усилия, что добавляет потребление электроэнергии, габариты и механическую сложность — особенно проблематично для миниатюрных охладителей. Вместо этого команда KIT и Университета Цукубы заставила один сплав с памятью формы приводить в действие другой. Нагрев пленки привода TiNi заставляет ее восстанавливать исходную форму и сжиматься. Это сжатие, механически связанное с пленкой хладагента TiNiFe, обеспечивает усилие, необходимое для цикла охлаждения. По мере нагрева и охлаждения привода он нагружает и разгружает хладагент без электрического двигателя.
Если разобрать подробнее, система работает следующим образом: исследователи берут сплав с памятью формы (пленку хладагента TiNiFe), который охлаждается при отпускании после растяжения. Вместо использования механической системы для многократного растяжения и отпускания этого сплава они используют другой сплав с памятью формы (TiNi), который сжимается при нагревании, и механически связывают его с охлаждающим аналогом. Когда TiNi нагревается, он сжимается, растягивая и «нагружая» пленку хладагента. Как только тепло отводится, TiNi расслабляется, отпуская пленку и запуская фазовый переход, который вызывает ее охлаждение. При циклическом нагреве сплав TiNi, таким образом, обеспечивает повторяющееся движение растяжения и отпускания, необходимое TiNiFe для эластокалорического охлаждения.
Тепловой привод обеспечил соотношение усилие-перемещение 14,5 Н/мм по сравнению с 1,1 Н/мм у коммерческого электромеханического привода, который исследователи использовали в качестве эталона. Тонкие пленки также обеспечивают высокое отношение поверхности к объему для быстрой теплопередачи. При приведении в действие джоулевым нагревом интегрированное устройство достигло устойчивого перепада температур 4,0 K после 20 циклов и удельной холодопроизводительности 4,43 Вт/г. При работе от внешнего источника тепла эти показатели снизились до 2,2 K и 3,32 Вт/г соответственно.
Этот результат с внешним теплом является настоящим подтверждением концепции. Хотя технология все еще находится на ранней стадии лабораторного эксперимента, масштабированная и усовершенствованная версия может иметь интересные применения. Обычно тепло, необходимое системе для работы, генерируется из электричества или другой формы энергии. Однако идеальный сценарий — повторное использование существующего отработанного тепла — схема, уже достижимая в центрах обработки данных. Таким образом, технология потенциально может охлаждать процессоры, используя тепло, которое они выделяют!
Однако применение ее в качестве технологии охлаждения центров обработки данных далеко от текущего уровня развития. Прототип произвел всего 2,09 милливатта холодопроизводительности при нулевом перепаде температур. Это ничто по сравнению с тепловыми нагрузками современных процессоров, не говоря уже об ускорителях ИИ или стойках центров обработки данных. Исследователи также относят относительно медленное срабатывание, ограниченную скорость деформации и текущую геометрию теплообменника к факторам, ограничивающим производительность. Также необходимо найти способ сделать нагрев циклическим.
Команда сейчас работает над соединением нескольких пленок параллельно для увеличения холодопроизводительности. Дальнейший прогресс потребует масштабирования активного материала, улучшения теплопередачи и рабочей частоты, а также подтверждения долговременной надежности. На данный момент исследователи продемонстрировали базовую энергетическую цепочку, в которой тепло может быть преобразовано в механическое движение, а это движение — в полезное охлаждение без электрического двигателя, приводящего в действие холодильный цикл.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Etiido Uko
