Проблемът с прекомерното отделяне на топлина в съвременната електроника – от мобилните устройства до мощните сървъри – изисква принципно нови решения. Традиционните системи за охлаждане – обемисти компресори, шумни вентилатори и химически хладилни агенти – достигат границите на своята ефективност и миниатюризация.

Научната общност активно разработва алтернатива, която обещава напълно безшумен, компактен и екологичен радиатор: твърдотелните охладители. Тази технология използва електричеството директно за генериране на хлад, като проправя пътя за интегриране на охладителните системи директно в микрочиповете.

Основата на технологията: как електричеството произвежда хлад

В основата на тази обещаваща тенденция е електрокалоричният ефект (ECE – electrocaloric effect) – физично явление, при което определен материал променя температурата си при прилагане или премахване на външно електрическо поле.

ECE често се счита за физическа противоположност на пироелектричния ефект (появата на електрическо поле при промяна на температурата). Изключително важно е да не се бърка електрокалоричният ефект с термоелектричния ефект (ефекта на Пелтие), при който промяната на температурата настъпва, когато електрическият ток преминава през контакта (прехода) на два разнородни проводника.

За да разберете механизма на ЕСЕ, трябва да се знае, че всички материали са съставени от атоми, които образуват диполи, които са малки електрически неутрални системи, в които положителните и отрицателните заряди са леко изместени един спрямо друг.

Процесът на охлаждане протича на два етапа:

• Загряване (подреждане): Когато към даден материал се приложи електрическо поле, диполите му се подреждат по линиите на това поле. Това подреждане намалява вътрешната ентропия (мярката за хаоса). Материалът е принуден да отдава излишната енергия под формата на топлина на външната среда.
• Охлаждане (хаотизация): Когато полето бъде премахнато, диполите се връщат в естественото си хаотично състояние. За този процес те се нуждаят от енергия, която поглъщат от околната среда, което води до охлаждане на материала.

Чрез цикличното извършване на този процес е възможно да се създаде непрекъснато разсейване на топлината от охлаждания обект.

Електрокалоричният ефект има дълбока история: още през 1887 г. известният британски физик Уилям Томсън (лорд Келвин) теоретично обосновава възможността за съществуването му. Той прави това въз основа на принципа на обратимост на пироелектричеството – явление, при което промяната на температурата в кристалите води до появата на електрическо поле. По този начин Томсън прогнозира, че обратният процес, т.е. прилагането на електрическо поле, би трябвало да предизвика съответна промяна в температурата.

Ренесансът: Откриването на гигантски ЕСЕ

Ключовият пробив, който върна ЕСЕ в центъра на вниманието, се случи през 2006 г., когато група учени, ръководена от А. С. Мищенко, регистрира явление, наречено Гигантски електрокалоричен ефект.

В изследванията си групата на Мищенко използва тънки филми от оловен цирконат титанат (PZT) – материал със силни сегнетоелектрични свойства.

Те установяват, че когато към филм с дебелина няколко микрометра се приложи поле, температурната промяна върху него достига 12 К (Келвин) в близост до източник на топлина с температура 220 °C. Този скок е десетки пъти по-голям от предишните резултати и дава възможност за първи път да се разгледа тази технология като алтернатива на съществуващите системи за охлаждане.

Само две години по-късно, през 2008 г., настъпи нов пробив: в сегнетоелектричните полимери беше открит гигантски ЕСЕ, което доближи технологията до приложенията в бита. Първоначално съполимерът поливинилиден флуорид-трифлуороетилен (P(VDF-TrFE)) показа значителна адиабатна промяна на температурата от над 12°C, но това се случи при около 70°C.

Критичното постижение е промяната в химичната му формула: добавянето на хлорфлуороетилен (CFE) позволи за първи път да се получи този гигантски електрокалоричен ефект при стайна температура. Това откритие проправи пътя за използването на CFE в компактни и екологични охлаждащи устройства за ежедневна употреба.

Разлика от 12 °C се постига в най-тънкия филм и може бързо да се повтори многократно. Като използват голям брой такива слоеве последователно като етапи, учените могат да постигнат значително охлаждане и да осигурят обща температурна разлика, достатъчна за цялостно охлаждане, която съперничи на конвенционалните компресори.

Приложения и ползи

Въвеждането на твърдотелни охладители обещава да реши редица критични проблеми:

Първо, системите напълно премахват използването на флуоровъглеводороди (HFC) и други химически хладилни агенти, използвани в конвенционалното оборудване. Тези вещества влияят на парниковия ефект десетки, а понякога и хиляди пъти повече от въглеродния диоксид (CO2). Елиминирането им прави ECE охладителите екологично чисти.

Второ, компактност и безшумност. Отсъствието на механични компоненти прави агрегатите безшумни. Самите охладители могат да се вграждат директно в чипове, което е от решаващо значение за високопроизводителните процесори и чипове, при които топлината трябва да се отвежда от възможно най-малкото пространство.

Трето, енергийна ефективност. Лабораторните прототипи вече демонстрират ефективност, която може да надхвърли 60 % от теоретичната граница, определена от цикъла на Карно (границата на ефективност на всяка топлинна машина).

Тези предимства са от значение за всички сектори: от компактни системи за охлаждане на мощни централни и графични процесори до създаването на напълно безшумни и енергийно ефективни домашни хладилници и климатици.

Рискове и предизвикателства по пътя към внедряването

Въпреки научните постижения преходът към масово производство е свързан със сериозни инженерни предизвикателства. Основен риск е електрокалоричната умора – намаляване на ефективността на материала при многократно включване и изключване на полето.

За да се осигури експлоатационен живот, сравним с този на конвенционалните хладилни системи, критично изискване е стабилността на материала да е поне десет милиона цикъла без значителна деградация. Този стандарт поставя висока летва за проектантите.

Друго предизвикателство е свързано с изискванията за напрежението. Често се изисква висока сила на електрическото поле, за да се постигне достатъчен охлаждащ ефект. Интегрирането на такива системи в потребителска електроника с ниско напрежение изисква внимателно проектиране на защитни и управляващи вериги.

Накрая, важен е въпросът за мащабирането. Необходимо е да се премине от създаването на малки лабораторни чипове към производството на пълноразмерни, надеждни топлообменни системи за потребителски и промишлени приложения. Това инженерно предизвикателство изисква създаването на сложни многослойни структури с ефективна циркулация на топлоносителя.

ECE на фона на конкурентите: Предизвикателства и предимства пред съществуващите системи

За да се оценят перспективите пред електрокалоричния ефект, трябва ясно да се разбере мястото му сред съществуващите технологии за разсейване на топлината. Например, на пазара на охладителни системи за електронни устройства има два подхода: топлинни тръби (пасивен топлообмен) с допълнително отвеждане на топлината чрез радиатор и системи за течно охлаждане (активно, високоефективно охлаждане).

От една страна, топлинните тръби са доказано, просто и надеждно решение, използвано в повечето преносими устройства. Тръбата не генерира хлад; тя просто ефективно пренася топлината от горещия чип към радиатора, като използва фазовия преход на течността вътре в нея. Системите с топлинни тръби са сравнително тихи и евтини, а основното им ограничение е, че не могат да охлаждат процесора под температурата на околния въздух. Дисипативните радиатори и вентилаторите за отвеждане на разсеяната топлина могат да бъдат доста обемисти.

От друга страна, системите за течно охлаждане – те осигуряват висока мощност, като използват помпи и циркулираща охлаждаща течност. Те обаче са и обемисти, изискват радиатори, а работата им е съпроводена с шум от помпите и вентилаторите, да не говорим за риска от течове. Подобно на топлинните тръби, системите за водно охлаждане не могат активно да намалят температурата под тази на околната среда без допълнителен охладител.

Именно тук се разкрива основното предимство на електрокалоричния ефект.

ECE е технология, която активно генерира хлад. За разлика от пасивните или полуактивните системи, устройството ECE може ефективно да понижи температурата на чипа под температурата на околния въздух.

Освен това елементите на ECE могат да бъдат интегрирани директно върху кристала на чипа като тънки филми, което ги прави изключително компактни и безшумни. Именно тази уникална способност – активно генериране на студ в твърдо състояние без компресори и хладилни агенти – прави ECE обещаваща технология на бъдещето. В близко бъдеще тя няма да замени евтините топлинни тръби във всеки лаптоп, но ще бъде жизнеспособно решение за микроелектрониката със свръхвисока плътност и за носимите устройства, където обемът и шумът на традиционните системи са неприемливи.

Заключение

Като се има предвид непрекъснатото нарастване на отделянето на топлина в микроелектрониката, твърдотелното охлаждане може да се разглежда като следващ неизбежен етап от развитието на технологиите. Решението на инженерните предизвикателства е само въпрос на време и на инвестиции в по-нататъшни изследвания.