Dwie ultracienkie folie zamieniły ciepło w chłodzenie. To dopiero prototyp

Badacze z KIT i Uniwersytetu Tsukuba zbudowali miniaturowy prototyp, w którym ogrzana folia z pamięcią kształtu napędza drugą, wytwarzającą efekt chłodzenia. Przy zewnętrznym źródle ciepła o temperaturze 130°C urządzenie uzyskało różnicę 2,2°C. To jeszcze nie lodówka bez prądu.

Jak ciepło wprawia układ chłodzący w ruch

.Yi-Ting Hsiau, Shuichi Miyazaki, Manfred Kohl i Jingyuan Xu opisali urządzenie w czasopiśmie „Nature Energy”. Prototyp wykorzystuje dwie folie wykonane ze stopów niklu i tytanu. Pierwsza, o grubości 22 mikrometrów, pełni funkcję napędu. Druga, mająca 26,5 mikrometra, jest elementem chłodzącym.

Po ogrzaniu pierwsza folia kurczy się dzięki efektowi pamięci kształtu. Powstały ruch mechanicznie rozciąga drugą folię. Gdy naprężenie zostaje zwolnione, zachodząca w jej strukturze przemiana fazowa powoduje spadek temperatury. Zjawisko to nazywa się efektem elastokalorycznym.

Ciepło zastępuje więc silnik, który w innych systemach elastokalorycznych wytwarza potrzebną siłę. Układ nie korzysta z kompresora ani krążącego gazowego czynnika chłodniczego. Badanie wpisuje się w szerszy rozwój ultracienkich materiałów przeznaczonych dla przyszłej elektroniki.

Nie oznacza to jednak całkowitego wyeliminowania energii elektrycznej. Aparatura laboratoryjna nadal wymagała zasilania do ogrzewania, sterowania i wykonywania pomiarów. Nowość polega na zastąpieniu ciepłem elektromechanicznego napędu wywierającego siłę.

Dwa doświadczenia i dwa różne wyniki

.W pierwszym doświadczeniu folię napędową ogrzano elektrycznie do 86°C. Sama folia chłodząca osiągnęła różnicę temperatury 12,9 K, natomiast na poziomie urządzenia uzyskano 4 K. Moc chłodnicza w przeliczeniu na masę folii wyniosła 4,4 W/g.

Oddzielnie sprawdzono działanie układu z zewnętrznym źródłem ciepła o temperaturze 130°C. W tej konfiguracji różnica na poziomie urządzenia wyniosła 2,2 K, a moc właściwa – 3,3 W/g. Nie należy więc łączyć wartości 130°C, 13 K i 4 K w opis jednego doświadczenia.

Rozwiązanie może być interesujące ze względu na rosnące wymagania termiczne chipów wykorzystywanych przez sztuczną inteligencję oraz boom inwestycyjny w centra danych.

Od eksperymentu do praktycznego chłodzenia

.Test z zewnętrznym źródłem ciepła trwał 24 sekundy. Zintegrowaną konfigurację ogrzewaną elektrycznie sprawdzono podczas 80 cykli w ciągu 96 sekund. Osobna folia chłodząca wytrzymała ponad 2000 cykli rozciągania, ale nie dowodzi to jeszcze wieloletniej trwałości całego urządzenia.

Prototyp nie został zoptymalizowany pod względem wydajności, kosztów ani skali. Naukowcy planują łączyć wiele folii równolegle. W przyszłości system mógłby wykorzystywać ciepło odpadowe procesorów lub układów napędowych samochodów, lecz zastosowań tych jeszcze nie zademonstrowano.

Najważniejszy rezultat badania jest skromniejszy, ale istotny: wykazano eksperymentalnie, że ciepło może napędzać elastokaloryczny proces chłodzenia. Dopiero dalsze testy pokażą, czy technologia znajdzie miejsce w szerszym związku sztucznej inteligencji z energetyką.

Szymon Ślubowski