تصور اینکه با گرما بتوان چیزی را خنک کرد، در نگاه اول متناقض به نظر میرسد؛ درست مانند تلاش برای روشن کردن اتاق با تاریکی. اما تیمی از دانشمندان مؤسسه فناوری کارلسروهه آلمان (KIT) و دانشگاه تسوکوبا ژاپن نشان دادهاند که این ایده نهتنها ممکن است، بلکه میتواند مسیر تازهای برای خنکسازی تراشهها و دستگاههای الکترونیکی داغ باز کند.
این گروه تحقیقاتی موفق شده است یک سامانه سرمایش حالتجامد بسازد که گرمای اتلافی خود تراشه را به عنوان سوخت چرخه سرمایش به کار میگیرد و بدون نیاز به موتور الکتریکی یا کمپرسور، سرما تولید میکند. نتایج این پژوهش در مجله معتبر Nature Energy منتشر شده است.
تفاوت سرمایش حالتجامد با یخچالهای معمولی
تقریبا تمام یخچالها و کولرهای امروزی بر اساس سرمایش تراکمی کار میکنند. در این روش، یک کمپرسور برقی گاز مبرد را فشرده میکند، دما و فشار آن را بالا میبرد، سپس مبرد گرمای خود را به محیط پس میدهد و پس از عبور از شیر انبساط، با افت فشار و دما، قادر میشود گرمای داخل یخچال یا اتاق را جذب کند و دوباره به کمپرسور بازگردد.
در مقابل، سرمایش حالتجامد بهجای به گردش درآوردن گاز و مایع و تغییر فاز مکرر آن، از موادی استفاده میکند که دمایشان مستقیما در پاسخ به یک محرک خارجی تغییر میکند. نمونههای شناختهشده این فناوری شامل خنککنندههای ترموالکتریک پلتیر هستند که با جریان برق، گرما را در محل اتصال نیمهرساناها جابهجا میکنند. دستههای دیگر شامل مواد مغناطوکالریک هستند که به میدان مغناطیسی واکنش نشان میدهند و مواد الکتروکالریک که تحت میدان الکتریکی سرد یا گرم میشوند.
یکی از شاخههای جذاب این حوزه، سرمایش الاستوکالریک است؛ جایی که سرمایش با اعمال تنش مکانیکی ایجاد میشود.
آلیاژهای حافظهدار چگونه سرما تولید میکنند؟
برخی آلیاژهای دارای حافظه شکل، بهویژه ترکیبات بر پایه نیکل-تیتانیوم، رفتار ویژهای دارند. وقتی این مواد تحت کشش یا فشار قرار میگیرند، ساختار بلوری آنها از یک فاز جامد به فاز جامد دیگر تبدیل میشود و در این فرایند گرما آزاد میکنند. اگر اجازه دهیم این گرما از ماده خارج شود و سپس نیروی واردشده را برداریم، تغییر فاز معکوس رخ میدهد؛ ماده گرما را از محیط جذب میکند و بهشدت سرد میشود.
با تکرار مداوم این چرخه «کشش - آزادسازی»، آلیاژ به یک مبرد حالتجامد تبدیل میشود که میتواند بدون نیاز به گازهای گلخانهای مبردهای سنتی، عمل خنکسازی را انجام دهد.
پاشنه آشیل فناوری الاستوکالریک
با وجود جذابیت، سرمایش الاستوکالریک یک مشکل بزرگ داشته است: چه چیزی باید مدام این آلیاژ را بکشد و رها کند؟ نمونههای اولیه ساختهشده تاکنون برای ایجاد نیروی عظیم مورد نیاز جهت تغییر شکل آلیاژ، به موتورهای الکترومکانیکی یا محرکهای هیدرولیکی وابسته بودند. به عبارت دیگر، هرچند خود مبرد جامد بود، اما کل سامانه همچنان برای کار به برق نیاز داشت و مزیت حذف کمپرسور تا حدی از بین میرفت.
تیم کارلسروهه و تسوکوبا برای حل همین گره، راهکاری بسیار ظریف و هوشمندانه ارائه کرده است: بهجای موتور برقی، از یک آلیاژ حافظهدار دوم به عنوان محرک استفاده کنند.
ترکیب دو فلز هوشمند؛ گرما به حرکت، حرکت به سرما
نمونه اولیه این سامانه از اتصال مکانیکی دو لایه فوقنازک ساخته شده است:
- لایه محرک حرارتی: آلیاژ تیتانیوم-نیکل (TiNi) با ضخامت تنها ۲۲ میکرومتر
- لایه مبرد: آلیاژ تیتانیوم-نیکل-آهن (TiNiFe) با ضخامت ۲۶٫۵ میکرومتر
عملکرد این جفتلایه به شکل یک چرخه بسته و خودکار است. جینگیوان شو، سرپرست گروه پژوهشگران جوان در آزمایشگاه ZEco Thermal مؤسسه فناوری کارلسروهه، میگوید نوآوری اصلی این کار، تلفیق دو قابلیت مکمل در آلیاژهای حافظهدار است؛ بهگونهای که یک لایه حرارت را به کار مکانیکی و لایه دیگر این کار را به سرما تبدیل میکند.
چرخه به این صورت عمل میکند: وقتی لایه محرک TiNi گرم میشود، منقبض شده و به شکل از پیش برنامهریزیشده خود بازمیگردد. در این حالت، لایه مبرد TiNiFe را میکشد. این کشش باعث تغییر فاز ناشی از تنش در مبرد شده و مبرد گرما آزاد میکند. این گرما به یک گرماگیر منتقل و دفع میشود. سپس با سرد شدن محرک، نیروی وارد بر مبرد کاهش مییابد، ساختار بلوری مبرد به حالت اولیه بازمیگردد، گرما را از محیط جذب میکند و بهطور محسوسی سرد میشود.
نکته کلیدی این است که در این سامانه، گرما همان کاری را انجام میدهد که در یخچالهای معمولی بر عهده موتور الکتریکی است؛ یعنی به حرکت درآوردن چرخه سرمایش.
هنوز در مرحله اثبات ایده
مؤسسه فناوری کارلسروهه تأکید کرده است که سختافزار فعلی یک نمونه امکانسنجی (Proof-of-Concept) است و هنوز برای دستیابی به حداکثر ظرفیت سرمایشی بهینهسازی نشده است. پژوهشگران فعلا نشان دادهاند که گرما بهتنهایی میتواند نیروی محرک مکانیکی لازم برای اجرای چرخه الاستوکالریک را تأمین کند؛ دستاوردی که از نظر فیزیکی بسیار مهم تلقی میشود.
با این حال، مسیر تا تجاریسازی طولانی است. بازده، سرعت چرخه، دوام آلیاژها در هزاران چرخه کشش و انقباض، و توانایی دفع گرمای کافی برای خنکسازی یک پردازنده پرقدرت، همگی نیازمند تحقیقات بیشتر هستند.
چرا این فناوری برای تراشهها حیاتی است؟
تراشههای مدرن، از پردازندههای لپتاپ و سرورهای هوش مصنوعی گرفته تا تراشههای خودروهای برقی، بخش بزرگی از انرژی مصرفی خود را به صورت گرما هدر میدهند. امروز این گرما با هیتسینک، فن و گاهی خنککننده مایع دفع میشود و کاملا به هدر میرود. اگر بتوان بخشی از همین گرمای اتلافی را دوباره به چرخه سرمایش بازگرداند، دو مزیت همزمان حاصل میشود: کاهش مصرف برق سیستم خنککننده و افزایش پایداری حرارتی قطعات.
در بلندمدت، چنین سامانههای حالتجامد و بدون مبرد گازی میتوانند به خنککنندههای بسیار کوچک، بیصدا و سازگار با محیط زیست برای الکترونیک پوشیدنی، حسگرها و حتی سیستمهای فضایی تبدیل شوند؛ جایی که حذف کمپرسور و کاهش قطعات متحرک یک مزیت بزرگ محسوب میشود.
پژوهش جدید نشان میدهد که شاید در آینده، تراشهها بتوانند با گرمای خودشان، خودشان را خنک کنند؛ ایدهای که تا همین چند سال پیش شبیه داستان علمی-تخیلی به نظر میرسید.
دیدگاهها (0)
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.