Гидрогель облегчает охлаждение электроники

Jul 14, 2023

Планируется, что к 2030 году электроника будет потреблять более пятой части мирового потребления электроэнергии. Большая часть этой энергии тратится в виде тепла, требуя охлаждения, которое также потребляет электроэнергию и часто большое количество воды.

Чтобы положить конец этому использованию энергии и воды, исследователи теперь показали, что гидрогели, используемые в контактных линзах, повязках на раны 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 и выступами, увеличивающими площадь их поверхности и обеспечивающими более эффективную передачу тепла. Гидрогелевое покрытие поглощает влагу из воздуха и набухает, когда процессор не работает 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 обслуживание и простой конструкцией системы», — говорит Ренкун Чен, профессор машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Метод подобен человеческой коже. Когда мы перегреваемся, мы потеем, и это испаряется и обеспечивает охлаждение».

Перегрев является проблемой производительности и безопасности мощной электроники, а регулирование температуры в компьютерах становится все более сложным по мере того, как электроника сжимается и увеличивается мощность. Еще есть потребление энергии и воды. Только мировые центры обработки данных потребляют более 200 миллиардов киловатт-часов энергии и почти 1,6 триллиона тонн воды в год.

Сегодня существуют различные способы охлаждения электроники. В компьютерах тепловые материалы передают тепло от чипов микропроцессора к радиаторам, которые охлаждаются воздухом с помощью вентиляторов. Жидкостное охлаждение, при котором циркулирующая вода отводит тепло к радиатору, также популярно для процессоров. Между тем центры обработки данных размещаются в помещениях с кондиционированием воздуха и также используют жидкостное охлаждение. Все эти системы активного охлаждения используют энергию для работы вентиляторов, систем отопления, вентиляции и кондиционирования и водяных насосов.

Исследователи уже много лет разрабатывают новые способы охлаждения электроники. Например, микроканальное охлаждение 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, относительно проста и полностью пассивна и не требует затрат энергии. И это может быть недорого, 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.

Вверху слева представлена ​​схема испытательной установки. Инфракрасные изображения полевого транзистора (FET) без радиатора (вверху справа), с традиционным радиатором (внизу слева) и с гидрогелем (внизу справа). Ренкун Чен

В качестве демонстрации они разместили 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 при испарении исчезает. Чен говорит, что сейчас команда изучает гидрогели, которые могут поглощать и удерживать больше воды. Эту идею можно объединить с другими технологиями активного охлаждения, такими как вентиляторы и жидкостное охлаждение, чтобы снизить потребление энергии. И его использование не обязательно ограничивается электроникой. «Мы также планируем использовать его для таких применений, как охлаждение зданий или даже индивидуальное охлаждение».