Учёные изобрели технологию, которая позволит охлаждать ЦОДы без использования электричества
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (Германия) и Университета Цукуба (Япония) опубликовали в журнале Nature Energy статью, в которой обсуждают свои успехи в разработке технологии твердотельного охлаждения, не требующей вообще никакого электрического тока, и при этом продемонстрировавшей снижение температуры в лабораторных экспериментах.
Для тех, кто не знаком с твердотельным охлаждением — это более экологичная альтернатива традиционному компрессионному охлаждению, которое основано на использовании вредных для окружающей среды хладагентов и большого количества электроэнергии. Вместо сжатия и расширения газа для получения холода, некоторые твердотельные системы используют термоэлектрические материалы, которые при подаче электроэнергии могут создавать разницу температур. Термоэлектрические твердотельные системы охлаждения могут быть невероятно компактными, но есть один нюанс: им все же нужна электроэнергия, и, как отметили исследователи, их эффективность составляет лишь четверть от эффективности современных компрессионных систем охлаждения.
Здесь на помощь приходит «эластокалорическое» охлаждение, основанное на использовании сплавов с эффектом памяти формы, которые изменяют температуру при механической нагрузке и разгрузке посредством фазового перехода. Именно с такими материалами и методами экспериментировали команды немецких и японских учёных.
Как и другие формы твердотельного охлаждения, эластокалорические системы традиционно требовали электричества для изменения свойств сплавов с эффектом памяти формы, используя приводы, которые могут достигать довольно больших размеров. Исследователи хотели разработать миниатюрную форму эластокалорического охлаждения, которая вообще не требовала бы электричества, а полагалась бы только на тепло, выделяемое охлаждаемыми объектами — например, компьютерным процессором. Судя по их демонстрации, у них получилось.
Для своей эластокалорической системы учёные использовали две сверхтонких никель-титановых фольги: одна фольга при воздействии тепла сжимается, генерируя движение, которое преобразуется в механическую энергию, и действует как собственный исполнительный механизм. Эта механическая энергия передаётся второй фольге, которая нагружается и разгружается, чтобы инициировать фазовый переход, вызывающий охлаждающий эффект.
Лабораторные испытания показали, что технология не только теоретически осуществима, но и действительно работает – хотя и в ограниченной степени.
«Наш прототип обеспечивает разброс температур в 12,9 К на уровне плёнки хладагента и 4,0 К на уровне устройства при воздействии джоулева нагрева при температуре 86°C (187°F)», — говорится в отчёте команды.
При воздействии внешнего источника тепла температурой 130°C (266°F) система все ещё поддерживала разброс температур на уровне устройства в 2,2 К — это немного, но все же показывает, что устройство работает даже на самом базовом уровне в виде одной пары плёнок.
«Для нас решающим моментом стало то, что мы впервые увидели измеримое охлаждение, фактически создаваемое системой, работающей на тепле», — сказал аспирант Технологического института Карлсруэ и ведущий автор статьи И-Тин Сяу. «Это показало нам, что принцип работает не только на бумаге».
Поскольку концепция миниатюрного охлаждения без использования электричества теперь доказана, команда планирует создать более крупные экспериментальные установки для оптимизации эффективности охлаждения.
Надо отметить, что внедрение систем охлаждения, не требующих электроэнергии и воды, было бы сейчас как нельзя кстати: растёт производство энергии, используемой для питания и охлаждения таких объектов, как центры обработки данных, также как растёт и водопотребление таких объектов, частично связанное с их охлаждением. Добавьте к этому изменение климата, и проблема охлаждения электроники и людей станет ещё более актуальной – по данным IRENA (Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, International Renewable Energy Agency), на отопление и охлаждение в совокупности приходится более 40 процентов мировых выбросов углекислого газа, связанных с энергетикой. Решение проблемы энергопотребления и водопотребления в центрах обработки данных во многом связано с поиском способов охлаждения систем, и, хотя эти исследования находятся на начальной стадии, они могут внести ценный вклад в сокращение энергетического следа технологической отрасли.
«Мы считаем, что это только начало», — сказал Цзинъюань Сюй, руководитель лаборатории ZEco Thermal Lab Технологического института Карлсруэ, занимающейся разработкой экологически чистых технологий отопления и охлаждения с нулевым уровнем выбросов. «Масштабируя эту технологию, мы стремимся разработать компактные системы охлаждения, использующие обильные источники тепла для устойчивого охлаждения».
