Powstały rewolucyjne systemy chłodzenia. Twój nowy telefon i laptop będą zupełnie inne
Naukowcy ogłosili, że udało im się opracować nowy system chłodzenia, który może mieć fundamentalne znaczenie dla urządzeń elektronicznych. Nowa metoda termoelektryczna charakteryzuje się znacznie większą mocą i wydajnością w porównaniu do stosowanych obecnie. Testy wykazały wzrost o 210 proc. tzw. gęstości mocy chłodzenia.
Nowy system chłodzenia jest dziełem zespołu badawczego Uniwersytetu Penn State w USA. Urządzenie wykorzystuje tzw. stopy pół-Heuslera i unikalny proces wyżarzania, co pozwala mu na wyższą gęstość mocy chłodzenia (terminem „gęstość mocy” określa się parametr określający stosunek mocy urządzenia do jego powierzchni).
Nowa generacja elektroniki może bardzo skorzystać na nowej metodzie
Mechanizm chłodzenia termoelektrycznego działa poprzez przenoszenie ciepła z jednej strony urządzenia na drugą. W wyniku tego procesu jedna strona mechanizmu pozostaje wyraźnie zimna, a druga ciepła. Jeśli umieści się zimną stronę na elementach, które generują ciepło jak mikroprocesory, nadwyżka ciepła może zostać odprowadzona, co pozwala na bardzo wydajne kontrolowanie temperatury. Trzeba jednak pamiętać, że metoda ta będzie musiała nadążyć za coraz większą wydajnością komponentów elektronicznych, za czym idzie z reguły większe wytwarzanie ciepła.
Bed Poudel, profesor biorący udział w badaniach na Wydziale Inżynierii Materiałowej w Penn State, jest pełen optymizmu, jeśli chodzi o perspektywy nowej technologii:
Nasz nowy materiał może zapewnić urządzenia termoelektryczne o bardzo wysokiej gęstości mocy chłodzenia. Udało nam się wykazać, że to nowe urządzenie może być nie tylko konkurencyjne pod względem techniczno-ekonomicznym, ale także przewyższać obecne wiodące termoelektryczne moduły chłodzące. Nowa generacja elektroniki skorzysta na tym rozwoju.
Shashank Priya, wiceprezes ds. badań na Uniwersytecie Stanowym Minnesoty, który brał udział w opracowaniu nowatorskiej metody, dodaje z kolei swoje nadzieje na to, jakie znaczenie może mieć ona dla urządzeń elektronicznych:
Rozwiązuje to dwa z trzech dużych wyzwań związanych z produkcją termoelektrycznych urządzeń chłodzących. Po pierwsze, może zapewnić wysoką gęstość mocy chłodzenia przy wysokim współczynniku COP. Oznacza to, że niewielka ilość energii elektrycznej może pompować dużo ciepła. Po drugie, w przypadku laserów o dużej mocy lub aplikacji, które wymagają dużej ilości zlokalizowanego ciepła do usunięcia z małego obszaru, może to stanowić optymalne rozwiązanie.
Stopy pół-Heuslera i proces wyżarzania
Wspomniałem wcześniej, że nowatorskie urządzenie jest zbudowane z mieszanki stopów pół-Heuslera. Co to takiego? Krótko mówiąc, to rodzaj materiałów o charakterystycznych właściwościach, które są szczególnie przydatne w zastosowaniach związanych z m.in. z odprowadzaniem ciepła. To sprawia, że nadają się świetnie do użycia w urządzeniach elektronicznych, które generują ciepło, które musi być skutecznie odprowadzane. Materiały pół-Heuslera charakteryzują się wysokim stopniem wytrzymałości, stabilności termicznej i wydajności.
Innym ciekawym aspektem nowej metody jest tzw. proces wyżarzania. To jeden ze sposobów obróbki cieplnej metali. Polega on na stopniowym nagrzewaniu materiału do określonej temperatury, utrzymaniu go w tej temperaturze przez odpowiedni czas, a następnie na powolnym wychłodzeniu. W tym konkretnym przypadku zwiększono też znacznie wielkość ziaren materiału, co poskutkowało zmniejszeniem liczby granic ziaren, czyli mówiąc prościej, obszarów w materiale, w których spotykają się struktury tzw. krystalitów. To prowadzi do zmniejszenia stopnia, w jakim materiał przewodzi prąd lub ciepło.
Wenjie Li, adiunkt na Wydziale Inżynierii Materiałowej w Penn State, opisał tę transformację:
Ogólnie rzecz biorąc, materiał pół-Heuslera ma bardzo mały rozmiar ziarna - ziarno wielkości nano. Dzięki temu procesowi wyżarzania możemy kontrolować wzrost ziaren od nanoskali do mikroskali - różnica trzech rzędów wielkości. Na przykład w chłodzeniu diod laserowych znaczna ilość ciepła jest generowana na bardzo małym obszarze i musi być utrzymywana w określonej temperaturze, aby zapewnić optymalną wydajność urządzenia. Właśnie tam można zastosować naszą technologię. To świetlana przyszłość dla lokalnego zarządzania wysoką temperaturą.
