Немецкие и японские учёные создали твердотельную систему охлаждения, в которой механическая работа для отвода тепла производится за счёт тепла самого охлаждаемого объекта. В перспективе чипы в дата-центрах смогут генерировать энергию для собственного охлаждения.
Разработку представили исследователи Университета Цукубы (Япония) и Технологического института Карлсруэ (Германия). Они заменили электрический привод для эластокалорического охлаждения термочувствительным сплавом с эффектом памяти формы — теперь цикл охлаждения запускается от внешнего источника тепла, а не обычного привода.
Прототип состоит из двух сверхтонких металлических плёнок с разными функциями: приводной и охлаждающей. Плёнка из титано-никелевого сплава (TiNi) толщиной 22 мкм при нагревании сжимается и преобразует тепло в механическое движение.
Это движение растягивает плёнку-хладагент из титано-никелево-железного сплава (TiNiFe) толщиной 26,5 мкм, вызывая обратимый фазовый переход и последующее охлаждение.
При эластокалорическом охлаждении сплавы с памятью формы меняют кристаллическую структуру под механическим воздействием. Напряжение вызывает фазовый переход с нагревом материала, а после снятия нагрузки происходит обратный процесс — материал поглощает тепло и охлаждается.
Проблема в том, что материал нужно многократно растягивать и сжимать, для чего обычно используют механические приводы, неприемлемые для миниатюрных систем. Учёные решили эту задачу, заставив один сплав с памятью формы приводить в движение другой.
В лабораторных испытаниях плёнку-привод TiNi нагрели током до 86°C, что создало перепад температур 12,9 К на плёнке-хладагенте. В итоге разница между холодной и горячей частями системы составила 4 К.
При замене электричества прямым нагревом от внешнего источника с температурой 130°C прототип обеспечил охлаждение на 2,2 К.
Термический привод из плёнки TiNi показал отношение силы к перемещению 14,5 Н/мм — против 1,1 Н/мм у электромеханических элементов. Тонкие плёнки также обладают высоким отношением площади поверхности к объёму, что ускоряет теплопередачу.
В первом испытании при нагреве электротоком стабильный диапазон температур после 20 циклов составил 4,0 К при удельной мощности охлаждения 4,43 Вт/г. При прямом нагреве от внешнего источника показатели составили 2,2 К и 3,32 Вт/г соответственно.
Для сравнения: используемые в электронике термоэлектрические охладители обычно демонстрируют лишь 10–15% от теоретического предела эффективности цикла Карно — это около четверти эффективности современных парокомпрессионных систем.
На практике при отсутствии температурного перепада между холодной и горячей сторонами охлаждающая мощность системы пока составляет всего 2,09 мВт — с современными процессорами использовать её пока не получится.
Среди сдерживающих факторов — относительно медленное срабатывание и существующая геометрия системы, а также необходимость сделать нагрев циклическим. Для увеличения мощности охлаждения учёные пытаются параллельно соединить несколько плёнок.
В дальнейшем потребуется масштабирование активного материала, улучшение теплопередачи и рабочей частоты, а также доказательство долговечности всей системы.