Τα ηλεκτρονικά επόμενης γενιάς θα διαθέτουν μικρότερα και πιο ισχυρά εξαρτήματα που απαιτούν νέες λύσεις ψύξης. Ένα νέο θερμοηλεκτρικό σύστημα ψύξης που αναπτύχθηκε από επιστήμονες του Penn State βελτιώνει σημαντικά την ψυκτική ισχύ και συνάμα την απόδοση στα μηχανήματα σε σύγκριση με τις τρέχουσες εμπορικές θερμοηλεκτρικές μονάδες και μπορεί να βοηθήσει στον έλεγχο της θερμότητας σε μελλοντικά ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος, ανέφεραν οι ερευνητές.
«Το νέο υλικό που χρησιμοποιούμε στο δικό μας σύστημα ψύξης μπορεί να παρέχει στις συσκευές πολύ υψηλή πυκνότητα ψυκτικής ισχύος», δήλωσε ο Bed Poudel, καθηγητής ερευνητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Penn State. «Καταφέραμε να δείξουμε ότι αυτή η νέα συσκευή μπορεί όχι μόνο να είναι ανταγωνιστική όσον αφορά τα τεχνοοικονομικά μέτρα, αλλά να ξεπεράσει τις τρέχουσες κορυφαίες μονάδες θερμοηλεκτρικής ψύξης. Η νέα γενιά ηλεκτρονικών θα ωφεληθεί από αυτή την εξέλιξη».
Οι θερμοηλεκτρικοί ψύκτες μεταφέρουν την απαιτούμενη έντονη δροσιά από τη μια πλευρά της συσκευής στην άλλη όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική ενέργεια, δημιουργώντας μια μονάδα με κρύες και ζεστές πλευρές. Η χρήση συμβατικών συστημάτων ψύξης σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα που παράγουν θερμότητα, όπως σε λέιζερ ή μικροεπεξεργαστές, μπορεί να αντλήσει την περίσσεια θερμότητας και να βοηθήσει στον έλεγχο της θερμοκρασίας. Αλλά καθώς αυτά τα εξαρτήματα γίνονται πιο ισχυρά, οι θερμοηλεκτρικοί ψύκτες έχουν την θετική ιδιότητα να ανταπεξέρχονται καλύτερα σε καταστάσεις περισσότερης θερμότητας, είπαν οι επιστήμονες.
Η νέα θερμοηλεκτρική συσκευή έδειξε 210% βελτίωση στην πυκνότητα ψυκτικής ισχύος σε σύγκριση με την κορυφαία εμπορική συσκευή, κατασκευασμένη από τελλουρίδιο βισμούθου, ενώ δυνητικά διατηρούσε παρόμοιο συντελεστή απόδοσης (COP) ή την αναλογία χρήσιμης ψύξης προς ενέργεια που απαιτείται, ανέφεραν οι επιστήμονες.
«Αυτό λύνει δύο από τις τρεις μεγάλες προκλήσεις στην κατασκευή θερμοηλεκτρικών συσκευών ψύξης», δήλωσε ο Shashank Priya, αντιπρόεδρος για την έρευνα στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. «Πρώτον, μπορεί να παρέχει υψηλή πυκνότητα ψυκτικής ισχύος με υψηλό COP. Αυτό σημαίνει ότι μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να αντλήσει πολλή θερμότητα. Δεύτερον, για ένα λέιζερ υψηλής ισχύος ή για εφαρμογές που απαιτούν πολλή τοπική θερμότητα για να αφαιρεθεί από μια μικρή περιοχή, αυτό μπορεί να προσφέρει τη βέλτιστη λύση».
Η νέα συσκευή είναι κατασκευασμένη από μια ένωση κραμάτων half-Heusler, μια κατηγορία υλικών με ειδικές ιδιότητες που υπόσχονται ενεργειακές εφαρμογές όπως στις θερμοηλεκτρικές συσκευές. Αυτά τα υλικά προσφέρουν καλή αντοχή, θερμική σταθερότητα και απόδοση.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ειδική διαδικασία ανόπτησης – η οποία ασχολείται με το πώς θερμαίνονται και ψύχονται τα υλικά – που τους επέτρεψε να τροποποιήσουν και να χειριστούν τη μικροδομή του υλικού για να αφαιρέσουν ελαττώματα. Δεν είχε χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την κατασκευή θερμοηλεκτρικών υλικών half-Heusler, είπαν οι επιστήμονες.
Η διαδικασία ανόπτησης αύξησε επίσης δραματικά το μέγεθος των κόκκων του υλικού, οδηγώντας σε λιγότερα όρια κόκκων – περιοχές σε ένα υλικό όπου συναντώνται οι κρυσταλλικές δομές και που μειώνουν την ηλεκτρική ή θερμική αγωγιμότητα.
“Γενικά, το υλικό half-Heusler έχει πολύ μικρό μέγεθος κόκκων – νανο-μεγέθους κόκκους”, δήλωσε ο Wenjie Li, επίκουρος καθηγητής έρευνας στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Penn State. «Μέσω αυτής της διαδικασίας ανόπτησης μπορούμε να ελέγξουμε την ανάπτυξη των κόκκων από τη νανοκλίμακα έως τη μικροκλίμακα – μια διαφορά τριών τάξεων μεγέθους».
Η μείωση των ορίων των κόκκων και άλλων ελαττωμάτων ενίσχυσε σημαντικά την κινητικότητα του φορέα του υλικού ή τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μέσα από αυτό, αποδίδοντας υψηλότερο συντελεστή ισχύος, είπαν οι επιστήμονες. Ο συντελεστής ισχύος καθορίζει τη μέγιστη πυκνότητα ψυκτικής ισχύος και είναι ιδιαίτερα σημαντικός σε εφαρμογές ψύξης ηλεκτρονικών.
«Για παράδειγμα, στην ψύξη με δίοδο λέιζερ, μια σημαντική ποσότητα θερμότητας παράγεται σε μια πολύ μικρή περιοχή και πρέπει να διατηρείται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για τη βέλτιστη απόδοση της συσκευής», είπε ο Λι, «Εκεί μπορεί να είναι η τεχνολογία μας. Αυτό έχει ένα λαμπρό μέλλον για την τοπική διαχείριση υψηλής θερμότητας.”
Εκτός από τον υψηλό συντελεστή ισχύος, τα υλικά παρήγαγαν τον υψηλότερο μέσο όρο απόδοσης από οποιοδήποτε άλλο ανταγωνιστικό υλικό που προορίζεται για αυτό το σκοπό. Οι επιστήμονες εξήγησαν ότι Τα αποτελέσματα δείχνουν μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτιστοποίηση υλικών half-Heusler για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές κοντά σε θερμοκρασία δωματίου.
«Ως χώρα επενδύουμε πολλά στα Chips και την Επιστήμη, και ένα σοβαρό πρόβλημα που καλούμαστε να λύσουμε είναι πώς η μικροηλεκτρονική μπορεί να χειριστεί την πυκνότητα υψηλής ισχύος καθώς μικραίνει σε μέγεθος και λειτουργεί με υψηλότερη ισχύ», είπε ο Poudel. «Αυτή η τεχνολογία μπορεί να είναι σε θέση να αντιμετωπίσει ορισμένες από αυτές τις προκλήσεις».
