Almanya ve Japonya'dan bir bilim insanı ekibi, soğutma için gereken mekanik enerjiyi ısıdan üreten katı-hal soğutma sistemini başarıyla sergiledi. Bu teknoloji, işlemcilerin ve veri merkezlerinin kendi atık ısılarını soğutma amacıyla geri dönüştürmesi için yeni bir yol açabilir. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ve Tsukuba Üniversitesi araştırmacıları tarafından geliştirilen sistem, elastokalorik soğutma için normalde gereken elektrikle çalışan aktüatörün yerine, ısıya duyarlı bir şekil hafızalı alaşım kullanıyor. Bu sayede soğutma döngüsü bir motordan ziyade harici bir ısı kaynağı tarafından çalıştırılıyor.
Prototip, aktüatör ve soğutucu olarak görev yapan iki ultra-ince metal filmden oluşuyor. 22 mikrometre kalınlığındaki titanyum-nikel (TiNi) şekil hafızalı film, ısıtıldığında kasılarak termal enerjiyi mekanik harekete dönüştürüyor. Bu hareket, 26.5 mikrometre kalınlığındaki titanyum-nikel-demir (TiNiFe) soğutucu filmi geriyor ve serbest bırakıyor, bu da soğutma üreten tersinir bir faz geçişini tetikliyor. Laboratuvar testlerinde, aktüatörün 86°C'ye kadar ısıtılması, soğutucu filmde 12.9 K'lik bir sıcaklık farkı (soğutma döngüsü sırasında en sıcak ve en soğuk durumları arasındaki fark) ve soğutma cihazının tamamında 4.0 K'lik bir sıcaklık farkı (sıcak ve soğuk tarafları arasındaki ölçüm) sağladı. Araştırmacılar, dirençli ısıtmayı 130°C'lik harici bir ısı kaynağı ile değiştirdiklerinde, prototip hala 2.2 K'lik bir cihaz seviyesi sıcaklık farkı koruyarak, harici bir termal kaynağın soğutma mekanizmasını çalıştırabileceğini gösterdi.
Geleneksel soğutma ve iklimlendirme sistemleri çoğunlukla buhar sıkıştırmalı soğutma kullanır. Bir kompresör, bir soğutucu akışkanın basıncını ve sıcaklığını artırır; bu akışkan daha sonra yoğunlaştırıcıda ısıyı atar, ardından düşük basınçta genişleyip buharlaşarak soğutulan alandan ısıyı emer. Bu teknoloji olgun ve verimli olsa da, elektrikle çalışan bir kompresör gerektirir ve önemli küresel ısınma potansiyeline sahip soğutucu akışkanlara dayanır.
Katı-hal soğutma, geleneksel kompresör ve soğutucu akışkan döngüsü olmadan ısıyı taşır. Örneğin, termoelektrik soğutucular, yarı iletken malzemeler arasında bir sıcaklık farkı oluşturmak için elektrik akımı kullanır ve zaten kompakt elektroniklerde yaygın olarak bulunur. Ancak araştırmacılar, termoelektrik cihazların genellikle teorik ters Carnot verimlilik sınırının yalnızca %10 ila %15'ine ulaştığını, bunun da modern buhar sıkıştırmalı sistemlerin yaklaşık dörtte biri kadar olduğunu belirtiyor.
Elastokalorik soğutma farklı bir yol izler. Belirli şekil hafızalı alaşımlar, mekanik yüklendiğinde ve boşaltıldığında kristal yapılarını değiştirir. Stres uygulamak, gizli ısıyı açığa çıkaran ve malzemeyi ısıtan bir faz geçişini tetikler. Bu ısı atıldıktan sonra, yükün serbest bırakılması geçişi tersine çevirir ve malzemenin ısı emerek soğumasına neden olur. Katı alaşım etkili bir şekilde soğutucu haline gelir.
Sorun, malzemenin hala tekrarlı olarak gerilmesi ve serbest bırakılması gerektiğidir. Mevcut elastokalorik sistemler genellikle gereken kuvveti sağlamak için motorlar, hidrolik sistemler veya elektromekanik aktüatörler kullanır. Bu da özellikle minyatür soğutucular için elektrik tüketimi, hacim ve mekanik karmaşıklık ekler. Bunun yerine, KIT-Tsukuba ekibi bir şekil hafızalı alaşımın diğerini çalıştırmasını sağladı. TiNi aktüatör filmini ısıtmak, orijinal şekline geri dönmesine ve kasılmasına neden olur. TiNiFe soğutucu filmiyle mekanik olarak bağlı olan bu kasılma, soğutma döngüsü için gereken kuvveti sağlar. Aktüatör ısındıkça ve soğudukça, elektrik motoru olmadan soğutucu üzerinde yükleme ve boşaltma yapar.
Sistemin daha ayrıntılı olarak incelenmesiyle, araştırmacılar bir şekil hafızalı alaşım (TiNiFe soğutucu film) aldılar. Bu alaşım, gerildikten sonra serbest bırakıldığında soğur. Bu alaşımı tekrarlı olarak germek ve serbest bırakmak için bir mekanik sistem kullanmak yerine, ısıtıldığında kasılan ve soğutucu muadiliyle mekanik olarak bağlanan başka bir şekil hafızalı alaşım (TiNi) kullandılar. TiNi ısıtıldığında kasılır, soğutucu filmi gerer ve "yükler". Isı kaldırıldığında, TiNi gevşer, filmi serbest bırakır ve soğumaya neden olan faz geçişini tetikler. Döngüsel ısıtma altında, TiNi alaşımı bu nedenle TiNiFe'nin elastokalorik soğutma için gerektirdiği tekrarlı germe ve serbest bırakma hareketini sağlar.
Termal aktüatör, karşılaştırma için araştırmacıların kullandığı ticari bir elektromekanik aktüatörün 1.1 N/mm değerine karşılık 14.5 N/mm'lik bir kuvvet-yer değiştirme oranı sağladı. İnce filmler ayrıca hızlı ısı transferi için yüksek bir yüzey-hacim oranı sunar. Joule ısıtmalı çalıştırma altında, entegre cihaz 20 döngüden sonra 4.0 K'lik sabit bir sıcaklık farkına ve 4.43 W/g'lik özgül soğutma gücüne ulaştı. Harici ısı kaynağından beslendiğinde, bu rakamlar sırasıyla 2.2 K ve 3.32 W/g'ye düştü.
Bu harici ısı sonucu, gerçek bir konsept kanıtıdır. Teknoloji hala erken aşamada bir laboratuvar deneyi olsa da, ölçeklendirilmiş ve mükemmelleştirilmiş bir versiyonu ilginç çıkarımlara sahip olabilir. Tipik olarak, sistemin çalışması için ihtiyaç duyduğu ısı, elektrikten veya başka bir enerji biçiminden üretilir. Ancak ideal senaryo, veri merkezlerinde zaten elde edilebilir olan mevcut atık ısıyı yeniden amaçlandırmak olacaktır. Bu nedenle, teknoloji, ürettikleri ısıyı kullanarak işlemcileri soğutma potansiyeline sahiptir!
Ancak, bunu bir veri merkezi soğutma teknolojisi olarak uygulamak, teknolojinin mevcut durumundan çok uzaktır. Prototip, sıfır sıcaklık farkında yalnızca 2.09 milivat soğutma gücü üretti. Bu, modern işlemcilerin, yapay zeka hızlandırıcıların veya veri merkezi raflarının ısı yüklerinden çok uzaktır. Araştırmacılar ayrıca performansını sınırlayan faktörler arasında nispeten yavaş çalıştırma, sınırlı gerinim oranı ve mevcut ısı eşanjörü geometrisini de belirtiyorlar. Ayrıca ısıtmayı döngüsel hale getirmenin bir yoluna ihtiyaç var.
Ekip şimdi soğutma kapasitesini artırmak için birden fazla filmi paralel bağlama üzerinde çalışıyor. Daha fazla ilerleme, aktif malzemenin ölçeklendirilmesini, ısı transferinin ve çalışma frekansının iyileştirilmesini ve uzun vadeli dayanıklılığın kanıtlanmasını gerektirecektir. Şimdilik, araştırmacılar ısıdan mekanik harekete dönüştürülebileceği ve bu hareketin bir elektrik motoru tarafından çalıştırılan bir soğutma döngüsü olmadan kullanışlı soğutmaya dönüştürülebileceği temel enerji zincirini göstermişlerdir.
