Планируется, что к 2030 году электроника будет потреблять более пятой части электроэнергии в мире . Большая часть этой энергии тратится впустую в виде тепла, требующего охлаждения, которое также потребляет энергию и часто большое количество воды.
Чтобы положить конец этому потреблению энергии и воды, исследователи показали, что гидрогели , используемые в контактных линзах, повязках для ран и подгузниках, могут охлаждать мощную электронику, используя влагу, поглощаемую из воздуха.
Идея проста: нанесите слой гидрогеля толщиной от 0,5 до 1 миллиметра на алюминиевый радиатор. Радиаторы, обычно используемые в ноутбуках и процессорах, представляют собой металлические конструкции с ребрами, которые увеличивают площадь поверхности для более эффективной теплопередачи. Гидрогелевое покрытие поглощает влагу из воздуха и набухает, когда процессор работает не на полную мощность. В часы пик, когда процессор нагревается, вода испаряется и охлаждает электронику.
«Это пассивное охлаждающее устройство работает автономно без вмешательства человека, без энергопотребления, с низкими затратами на техническое обслуживание и простой конструкцией системы», — говорит Ренкун Чен , профессор машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Метод похож на человеческую кожу. Когда мы перегреваемся, мы потеем, и это испарение обеспечивает охлаждение».
Перегрев является проблемой производительности и безопасности для мощной электроники , а регулирование температуры в компьютерах становится все сложнее по мере того, как электроника уменьшается, а мощность растет. Одни только центры обработки данных в мире потребляют более 200 миллиардов киловатт-часов энергии и почти 1,6 триллиона тонн воды в год.
На сегодняшний день существуют различные способы охлаждения электроники. В компьютерах тепловые материалы передают тепло от микросхем микропроцессора к радиаторам, которые охлаждаются воздухом с помощью вентиляторов. Жидкостное охлаждение, при котором сифоны циркулирующей воды отводят тепло к радиатору, также популярно для процессоров. Тем временем центры обработки данных размещаются в помещениях с кондиционированием воздуха и также полагаются на жидкостное охлаждение. Все эти активные системы охлаждения используют энергию для работы вентиляторов, систем HVAC и водяных насосов.
Исследователи годами разрабатывают новые способы охлаждения электроники. Микроканальное охлаждение , например, снижает энергопотребление жидкостного охлаждения за счет размещения крошечных каналов жидкостного охлаждения рядом с компьютерными чипами или даже внутри них.
Но концепция, которую Чен и его коллеги недавно представили в журнале Cell Reports Physical Science , является относительно простой и полностью пассивной, не требующей затрат энергии. И это может быть низкой стоимостью, учитывая, что гидрогель на основе акрилата натрия, который они используют, дешев и стоит всего 10 долларов США за килограмм. Другие уже демонстрировали охлаждение аккумуляторов электромобилей и солнечных панелей с помощью плоских гидрогелевых пленок.
В качестве демонстрации они поместили как обычный радиатор, так и радиатор с гидрогелевым покрытием поверх полевого транзистора для его охлаждения. Радиатор снизил температуру чипа на 8 °C, а радиатор с гидрогелевым покрытием — на 20 °C.
Как только вода в гидрогеле истощается, его охлаждающий эффект испарения исчезает. Чен говорит, что команда сейчас ищет гидрогели, которые могут поглощать и удерживать больше воды. Идея может быть объединена с другими технологиями активного охлаждения, такими как вентиляторы и жидкостное охлаждение, для снижения энергопотребления.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com