Tým vědců z Německa a Japonska předvedl solid-state chladicí systém, který k výrobě mechanické práce potřebné pro chlazení využívá teplo. Otevírá tak cestu k procesorům a datovým centrům, jež by část vlastního odpadního tepla dokázaly recyklovat zpět na chlazení. Systém vyvinuli badatelé z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) a University of Tsukuba a podrobně jej popsali 28. srpna v časopise Nature Energy. Namísto elektricky poháněného aktuátoru, který elastokalorické chlazení obvykle vyžaduje, používá slitinu s tvarovou pamětí reagující na teplo, takže chladicí cyklus může běžet z externího zdroje tepla, nikoli z motoru.
Prototyp kombinuje dvě ultratenké kovové fólie, které slouží jako aktuátor a chladivo. Fólie ze slitiny titanu a niklu (TiNi) o tloušťce 22 mikrometrů se při zahřátí smršťuje a přeměňuje tepelnou energii na mechanický pohyb. Ten napíná a uvolňuje fólii chladiva ze slitiny titan-nikl-železo (TiNiFe) o tloušťce 26,5 mikrometru, čímž se spouští vratná fázová přeměna produkující chlad. Při laboratorních testech vytvořilo zahřátí aktuátoru na 86 °C teplotní rozdíl 12,9 K napříč fólií chladiva a 4,0 K napříč sestaveným chladicím zařízením. Když vědci nahradili odporový ohřev externím zdrojem o teplotě 130 °C, prototyp stále udržel rozdíl 2,2 K, čímž prokázali, že chladicí mechanismus dokáže pohánět vnější tepelný zdroj.
Jak se jedna slitina naučila pohánět druhou
Běžné chladničky a klimatizace využívají většinou kompresorové chlazení s odparem chladiva. Tato technologie je vyzrálá a účinná, vyžaduje však elektricky poháněný kompresor a chladiva s významným potenciálem přispívat ke globálnímu oteplování. Solid-state chlazení přesouvá teplo bez klasického okruhu kompresor-chladivo. Termoelektrické chladiče například vytvářejí teplotní rozdíl pomocí elektrického proudu, jenže dosahují jen zlomku účinnosti moderních kompresorových systémů.
Elastokalorické chlazení jde jinou cestou. Některé slitiny s tvarovou pamětí mění krystalovou strukturu při mechanickém zatížení a odlehčení. Zatížení vyvolá fázovou přeměnu, která uvolní teplo a materiál ohřeje. Po odvedení tohoto tepla se při odlehčení přeměna obrátí, materiál teplo pohltí a ochladí se – pevná slitina tak v podstatě funguje jako chladivo. Problémem je, že materiál se musí opakovaně napínat a uvolňovat, k čemuž dosavadní systémy potřebují motory, hydrauliku nebo elektromechanické aktuátory. Tým z KIT a Tsukuby proto nechal jednu slitinu s tvarovou pamětí pohánět druhou: zahřátá fólie TiNi se smrští, mechanicky napne chladicí fólii TiNiFe, a jakmile se teplo odvede, uvolní ji a spustí ochlazovací fázovou přeměnu.
Tepelný aktuátor přitom dodával poměr síly k posunu 14,5 N/mm oproti 1,1 N/mm u srovnávacího komerčního elektromechanického aktuátoru. Právě výsledek s externím teplem je skutečným důkazem konceptu. Ačkoli jde stále o ranou laboratorní fázi, ideálním scénářem by bylo znovu využít existující odpadní teplo – což je situace, jaká už dnes panuje v datových centrech. Technologie by tedy teoreticky mohla chladit procesory teplem, které samy produkují.
Od nasazení coby chladicí technologie datacenter má ovšem systém daleko. Prototyp vyprodukoval při nulovém teplotním zdvihu pouhé 2,09 miliwattu chladicího výkonu, což ani zdaleka nestačí na tepelnou zátěž moderních procesorů, natož AI akcelerátorů či serverových racků. Tým nyní pracuje na paralelním propojení více fólií, aby chladicí kapacitu zvýšil. Zatím vědci prokázali základní energetický řetězec, v němž lze teplo přeměnit na mechanický pohyb a ten na užitečné chlazení bez elektromotoru pohánějícího chladicí cyklus.
Zdroj: tomshardware.com
