Uma equipe de cientistas alemães e japoneses demonstrou um sistema de estado sólido no qual o trabalho mecânico necessário para o resfriamento é realizado utilizando o calor gerado pelo próprio objeto resfriado. Os chips em data centers poderão gerar a energia necessária para seu próprio resfriamento.
Fonte da imagem: Instituto de Tecnologia de Karlsruhe
Cientistas da Universidade de Tsukuba (Japão) e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (Alemanha) desenvolveram um sistema no qual o atuador elétrico necessário para o resfriamento elastocalórico foi substituído por uma liga com memória de forma sensível à temperatura. Isso inicia o ciclo de resfriamento usando uma fonte de calor externa em vez de um atuador tradicional. O protótipo incorpora duas películas metálicas ultrafinas que atuam como atuador e fluido refrigerante. A película de liga de titânio-níquel (TiNi) de 22 μm se contrai quando aquecida, convertendo energia térmica em movimento mecânico. Isso estica a película refrigerante de liga de titânio-níquel-ferro (TiNiFe) de 26,5 μm, desencadeando uma transição de fase reversível que resulta no resfriamento.
Durante testes de laboratório, um filme de TiNi atuando como atuador térmico foi aquecido a 86 °C por uma corrente elétrica, criando uma diferença de temperatura de 12,9 K ao longo do filme refrigerante, resultando em uma diferença de temperatura de 4 K entre as partes fria e quente do sistema. Quando a corrente elétrica foi substituída por aquecimento direto de uma fonte externa a 130 °C, o protótipo alcançou um resfriamento de 2,2 K.
Refrigeradores termoelétricos usados em eletrônica normalmente apresentam apenas 10–15% do limite teórico de eficiência do ciclo de Carnot reverso, atingindo um quarto da eficiência dos modernos sistemas de compressão de vapor. No caso do resfriamento elastocalórico, as ligas com memória de forma sofrem uma mudança na estrutura cristalina quando submetidas a tensão mecânica. A tensão mecânica causa uma transição de fase, que faz com que o material aqueça — após a remoção do calor eQuando a carga é removida, ocorre o processo inverso: o material absorve calor e esfria, o que significa que a liga dura atua como um fluido refrigerante. O problema é que esse material ainda precisa ser esticado e comprimido repetidamente — geralmente isso requer vários elementos mecânicos, o que é inaceitável para sistemas em miniatura. Assim, os cientistas projetaram uma liga com memória de forma para acionar outra. Quando aquecido, o filme de TiNi recupera sua forma original e se contrai, desencadeando um ciclo de resfriamento no filme de TiNiFe mecanicamente ligado, que por sua vez se estica.
O atuador térmico feito com o filme de TiNi atingiu uma relação força/deslocamento de 14,5 N/mm, enquanto os elementos eletromecânicos atingiram apenas 1,1 N/mm. Filmes finos também possuem uma alta relação área superficial/volume para rápida transferência de calor. No primeiro teste, com aquecimento elétrico, a faixa de temperatura estável após 20 ciclos com uma potência de resfriamento específica de 4,43 W/g foi de 4,0 K; com aquecimento direto de uma fonte externa, foram alcançados 3,32 W/g e 2,2 K, respectivamente.
Em teoria, um sistema desse tipo poderia suportar a operação utilizando o calor gerado pelos processadores durante o funcionamento. No entanto, na prática, sem uma diferença de temperatura entre os lados frio e quente, a capacidade de refrigeração é atualmente de apenas 2,09 mW, o que significa que ainda não pode ser utilizada com processadores modernos. Entre os fatores limitantes estão o tempo de resposta relativamente lento e a geometria atual do sistema; o aquecimento também precisa ser cíclico. Para aumentar a capacidade de refrigeração, cientistasEles estão tentando conectar vários filmes em paralelo. Isso exigirá o aumento da escala do material ativo, a melhoria da transferência de calor e da frequência de operação, além da comprovação da durabilidade do sistema.