ایده استفاده از گرما برای تولید سرما در نگاه اول متناقض بهنظر میرسد، اما پژوهشگران آلمانی و ژاپنی موفق شدهاند نمونه اولیه یک سیستم سرمایشی حالتجامد را بسازند که میتواند با استفاده از انرژی گرمایی، فرایند خنکسازی را انجام دهد.
تکراتو به نقل از دیجیاتو گزارش میدهد، پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه آلمان (KIT) و دانشگاه تسوکوبا ژاپن این سیستم را با استفاده از آلیاژهای حافظهدار توسعه دادهاند.
نکته جذاب این فناوری آن است که گرمای هدررفته پردازندهها، دیتاسنترها یا حتی انرژی حرارتی خورشیدی در آینده میتواند برای راهاندازی سیستم سرمایشی مورد استفاده قرار بگیرد.
چطور گرما تبدیل به سرما میشود؟
سیستم جدید از دو لایه فوقالعاده نازک از آلیاژهای حافظهدار استفاده میکند که هرکدام وظیفه متفاوتی دارند.
لایه اول از آلیاژ نیکل-تیتانیوم ساخته شده و تنها ۲۲ میکرومتر ضخامت دارد. زمانی که این لایه گرم میشود، بهدلیل خاصیت حافظه شکلی منقبض شده و انرژی حرارتی را مستقیماً به حرکت مکانیکی تبدیل میکند.
این حرکت به لایه دوم منتقل میشود.
لایه دوم با ضخامت ۲۶٫۵ میکرومتر از آلیاژ نیکل-تیتانیوم-آهن ساخته شده و نقش ماده سرمایشی را برعهده دارد.
کشیدهشدن و آزادشدن این لایه باعث تغییر ساختار بلوری آن میشود. هنگام اعمال فشار گرما آزاد میشود و با برداشتهشدن فشار، فرایند معکوس اتفاق میافتد و ماده گرما جذب میکند؛ درنتیجه دمای آن کاهش مییابد.
به این پدیده «اثر الاستوکالریک» گفته میشود.
خبری از موتور و کمپرسور نیست
سیستمهای الاستوکالریک قبلی برای کشیدن و آزادکردن ماده معمولاً به موتور، سیستم هیدرولیکی یا عملگر الکترومکانیکی احتیاج داشتند.
این تجهیزات علاوهبر مصرف برق، ابعاد و پیچیدگی سیستم را افزایش میدهند.
اما پژوهشگران در طراحی جدید عملاً یک آلیاژ حافظهدار را مسئول حرکتدادن آلیاژ حافظهدار دیگری کردهاند.
وقتی لایه اول گرم میشود، منقبض شده و نیروی لازم برای کشیدن لایه سرمایشی را ایجاد میکند. با سردشدن لایه اول، نیروی اعمالشده کاهش پیدا میکند و لایه دوم وارد مرحله سرمایش میشود.
درنتیجه گرما همان نقشی را بازی میکند که قبلاً یک موتور برقی انجام میداد.
آزمایشها چه نتیجهای داشتند؟
در آزمایش اولیه که عملگر با گرمایش ژولی تا دمای ۸۶ درجه سانتیگراد گرم شد، اختلاف دمای ایجادشده در خود لایه سرمایشی به ۱۲٫۹ کلوین رسید.
اختلاف دمای قابلاندازهگیری در سطح کل دستگاه نیز پس از چرخههای متوالی به حدود ۴ کلوین رسید.
اما آزمایش مهمتر زمانی انجام شد که پژوهشگران گرمایش الکتریکی مستقیم را کنار گذاشتند و سیستم را با یک منبع حرارتی خارجی در دمای ۱۳۰ درجه سانتیگراد راهاندازی کردند.
حتی در این حالت، دستگاه توانست اختلاف دمای ۲٫۲ کلوین ایجاد کند.
همین آزمایش نشان میدهد که از نظر اصول فیزیکی میتوان گرمای یک منبع خارجی را مستقیماً برای ایجاد سرمایش الاستوکالریک به کار گرفت.
پردازندهای که با گرمای خودش خنک میشود؟
یکی از جذابترین کاربردهای احتمالی این فناوری به صنعت کامپیوتر مربوط میشود.
پردازندهها و شتابدهندههای هوش مصنوعی مقدار زیادی گرما تولید میکنند و دیتاسنترها مجبورند انرژی قابلتوجهی برای دفع همین گرما مصرف کنند.
ایده پژوهشگران این است که بخشی از این گرمای هدررفته در آینده بتواند برای راهاندازی سیستم سرمایشی مورد استفاده قرار بگیرد.
در چنین سناریویی، گرمای تولیدشده توسط تجهیزات الکترونیکی بهجای اینکه فقط دفع شود، بخشی از انرژی لازم برای خنککردن همان تجهیزات را تأمین خواهد کرد.
کاربردهای احتمالی دیگر شامل خنکسازی تجهیزات حساس داخل خودروها با استفاده از گرمای مجموعه قوای محرکه و همچنین استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی برای تولید سرمایش است.
هنوز با خنککردن CPU فاصله زیادی داریم
با وجود جذابیت ایده، نمونه فعلی هنوز یک فناوری آزمایشگاهی است.
خود پژوهشگران نیز تأکید میکنند که نمونه اولیه برای اثبات امکانپذیری ایده ساخته شده و برای دستیابی به حداکثر ظرفیت سرمایشی بهینه نشده است.
توان سرمایشی فعلی نمونه بسیار پایینتر از چیزی است که برای کنترل حرارت پردازندههای مدرن یا شتابدهندههای قدرتمند هوش مصنوعی لازم داریم.
پژوهشگران اکنون قصد دارند چندین لایه را بهصورت موازی به یکدیگر متصل کنند تا ظرفیت سرمایشی افزایش پیدا کند.
افزایش سرعت چرخه، بهبود انتقال حرارت، افزایش مقدار ماده فعال و بررسی دوام طولانیمدت نیز از چالشهایی هستند که باید حل شوند.
بنابراین فعلاً قرار نیست سیستمهای خنککننده کامپیوتر کنار گذاشته شوند؛ اما این آزمایش یک نکته مهم را ثابت کرده است: میتوان انرژی گرمایی را به حرکت مکانیکی و سپس همان حرکت را به سرمایش حالتجامد تبدیل کرد.
اگر این فناوری در مقیاس بزرگ عملی شود، گرمای هدررفتهای که امروز یکی از بزرگترین مشکلات پردازندهها و دیتاسنترها است، شاید در آینده به بخشی از راهحل خنککردن آنها تبدیل شود.
دیدگاهها