Команда інженерів продемонструвала твердотільний охолоджувач, який здатен використовувати тепло для створення холоду. Такий підхід може в перспективі дозволити процесорам та іншій гарячій електроніці частково охолоджувати себе за рахунок власного відпрацьованого тепла, повідомляє New Atlas.
Пристрій розробили дослідники з Німецького Інституту технологій Карлсруе (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) та Університету Цукуби в Японії. Вони поєднали дві надтонкі плівки зі сплавів з пам’яттю форми: одна перетворює тепло на механічний рух, а інша — цей рух на охолодження. Робота опублікована в журналі Nature Energy.
Чим твердотільне охолодження відрізняється від звичайних холодильників
Більшість побутових холодильників і кондиціонерів працюють за принципом парокомпресійного циклу. Електричний компресор стискає холодоагент, підвищуючи його тиск і температуру, потім той віддає тепло назовні, розширюється, охолоджується і знову поглинає тепло з охолоджуваного об’єму.
Твердотільні системи йдуть іншим шляхом: замість перекачування газу вони використовують матеріали, температура яких змінюється під дією зовнішнього впливу. Наприклад, термоелектричні елементи Пельтьє переносять тепло під дією електричного струму, магнітокалоричні матеріали реагують на магнітне поле, а електрокалоричні — на електричне.
Окремий клас — еластокалоричне охолодження, де ключову роль відіграє механічна напруга.
Як працює еластокалоричний ефект у сплавах з пам’яттю форми
Деякі сплави з пам’яттю форми, зокрема на основі нікелю та титану, змінюють кристалічну структуру при розтягуванні або стисканні. Коли такий матеріал навантажують, він переходить з однієї твердої фази в іншу і при цьому виділяє тепло. Якщо дати цьому теплу вийти, а потім зняти навантаження, відбувається зворотний фазовий перехід, який поглинає тепло і охолоджує матеріал.
Повторюючи цей цикл, сплав можна використовувати як твердотільний «холодоагент». Але є проблема: хтось має постійно розтягувати й відпускати матеріал. Сучасні еластокалоричні прототипи зазвичай використовують електромеханічні двигуни або гідравлічні приводи, які споживають електроенергію. Тож хоча сам холодоагент і твердий, система все одно потребує окремого електроприводу.
Дві плівки, два завдання: одна рухає, інша охолоджує
Команда KIT і Цукуби запропонувала елегантне рішення: використати ще один сплав з пам’яттю форми як «двигун» для охолоджувальної плівки.
У прототипі застосовано дві надтонкі металеві плівки. Перша — це титано-нікелева (TiNi) плівка товщиною 22 мікрометри, яка працює як термопривід. Друга — титано-нікель-залізна (TiNiFe) плівка товщиною 26,5 мікрометра, що виконує роль еластокалоричного холодоагенту.
Коли TiNi-привід нагрівають, він скорочується. Після зняття тепла повертається до заданої форми і розтягує плівку TiNiFe. Це розтягування викликає фазовий перехід у холодоагенті та супроводжується виділенням тепла. Після того як це тепло відводиться до теплообмінника, привід остигає і розслабляється, навантаження на холодоагент зменшується, його структура повертається у вихідний стан, і матеріал поглинає тепло, охолоджуючись.
Повторне нагрівання приводу знову запускає цикл. Таким чином, одна «розумна» металева плівка перетворює тепло на механічну роботу, а інша — цю роботу на холод.
Як підкреслює керівник молодіжної дослідницької групи лабораторії ZEco Thermal Lab KIT Цзін’юань Сюй (Jingyuan Xu), ключова інновація полягає саме в поєднанні двох доповнювальних функцій сплавів з пам’яттю форми в одному пристрої.
Результати випробувань: мілівати потужності та кілька градусів різниці
Спершу дослідники нагрівали TiNi-привід електричним струмом (резистивний нагрів). За середньої пікової температури приводу 86 °C (187 °F) сама плівка TiNiFe забезпечила температурний перепад 12,9 K. Коли врахували теплообмінники та інші елементи прототипу, повний пристрій після 20 циклів вийшов на стабільний перепад температур у 4,0 K.
Потім електричний нагрів замінили зовнішнім твердим джерелом тепла з температурою 130 °C (266 °F), яке передавало тепло безпосередньо в привід через контакт. У такій конфігурації охолоджувач продовжував працювати, забезпечуючи сталий перепад температур на рівні пристрою 2,2 K: гаряча сторона була приблизно на 1,2 °C вище початкової температури, а холодна — на 1,0 °C нижче.
У цьому режимі система розвивала 2,09 мілівата холодопродуктивності, що відповідає 3,32 Вт на грам активного холодоагенту.
Поки що демонстрація принципу, а не готовий кулер для процесора
Отримані цифри показують, що технологія перебуває на дуже ранній стадії. Абсолютна потужність охолодження вимірюється міліватами, а перепад температур у 2,2 °C занадто малий, щоб впоратися з тепловими навантаженнями сучасних комп’ютерних систем, які розсіюють сотні ватів.
Тож про встановлення такого охолоджувача на відеокарту потужністю 500 Вт поки не йдеться. Нинішній пристрій — це насамперед демонстрація можливості: дослідники експериментально показали, що одного лише тепла достатньо, щоб забезпечити механічну дію, потрібну для роботи еластокалоричного циклу.
У KIT описують поточний варіант як дослідження здійсненності, яке ще не оптимізоване за максимальною холодопродуктивністю. Подальші роботи, ймовірно, будуть спрямовані на збільшення температурного перепаду, потужності та ефективності, щоб у майбутньому така технологія могла знайти практичне застосування в енергоефективному охолодженні електроніки та інших систем.