Engenheiros da Universidade da Califórnia San Diego desenvolveram uma nova tecnologia de refrigeração que poderia melhorar significativamente a eficiência energética de data centers e eletrônicos de alta potência. A tecnologia apresenta uma membrana de fibra especialmente projetada que remove passivamente o calor através da evaporação. Oferece uma alternativa promissora aos sistemas de refrigeração tradicionais, como ventiladores, dissipadores de calor e bombas líquidas. Também pode reduzir o uso da água associado a muitos sistemas de refrigeração atuais.
O avanço é detalhado em um artigo publicado em 13 de junho na revista Joule.
À medida que a inteligência artificial (AI) e a computação em nuvem continuam a se expandir, a demanda por processamento de dados – e o calor que gera – está disparando. Atualmente, o resfriamento é responsável por até 40% do uso total de energia de um center. Se as tendências continuarem, o uso global de energia para resfriamento poderá mais que dobrar até 2030.
A nova tecnologia de refrigeração evaporativa pode ajudar a conter essa tendência. Ele usa uma membrana de fibra de baixo custo com uma rede de poros pequenos e interconectados que desenham líquido de resfriamento em toda a superfície usando ação capilar. À medida que o líquido evapora, ele remove eficientemente o calor dos eletrônicos por baixo – não é necessária energia extra. A membrana fica no topo dos microcanais acima dos eletrônicos, puxando líquido que flui através dos canais e dissipando com eficiência o calor.
“Comparado ao resfriamento tradicional de ar ou líquido, a evaporação pode dissipar mais fluxo de calor enquanto usa menos energia”, disse Renkun Chen, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, que co-liderou o projeto com os professores Shengqiang Cai e Abhishek Saha, ambos do mesmo departamento. Engenharia mecânica e aeroespacial Ph.D. O estudante Tianshi Feng e o pesquisador de pós-doutorado Yu Pei, ambos membros do grupo de pesquisa de Chen, são co-primeiro autores do estudo.
Atualmente, muitas aplicações dependem da evaporação para o resfriamento. Tubos de calor em laptops e evaporadores em aparelhos de ar condicionado são alguns exemplos, explicados Chen. Mas aplicá-lo efetivamente a eletrônicos de alta potência tem sido um desafio. Tentativas anteriores usando membranas porosas – que possuem áreas de superfície altas que são ideais para evaporação – não tiveram êxito porque seus poros eram muito pequenos, eles entupiam ou muito grandes, eles desencadeiam fervendo indesejados. “Aqui, usamos membranas de fibras porosas com poros interconectados com o tamanho certo”, disse Chen. Esse design alcança evaporação eficiente sem essas desvantagens.
Quando testado em fluxos variáveis de calor, a membrana alcançou um desempenho recorde. Ele gerenciava fluxos de calor que excedam 800 watts de calor por centímetro quadrado – um dos níveis mais altos já registrados para esse tipo de sistema de refrigeração. Também se mostrou estável em várias horas de operação.
“Esse sucesso mostra o potencial de reimaginar materiais para aplicações totalmente novas”, disse Chen. “Essas membranas de fibra foram originalmente projetadas para filtração, e ninguém havia explorado anteriormente seu uso na evaporação. Reconhecemos que suas características estruturais únicas-poros interconectados e apenas o tamanho certo do poro-podiam torná-los ideais para o eficiente de refrigeração e eficiente.
Embora os resultados atuais sejam promissores, Chen diz que a tecnologia ainda está operando bem abaixo de seu limite teórico. A equipe agora está trabalhando para refinar a membrana e otimizar o desempenho. As próximas etapas incluem a integração em protótipos de placas frias, que são componentes planos que se conectam a chips como CPUs e GPUs para dissipar o calor. A equipe também está lançando uma empresa de startups para comercializar a tecnologia.
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (concede CMMI-1762560 e DMR-2005181). O trabalho foi realizado em parte na infraestrutura de nanotecnologia de San Diego (SDNI) na UC San Diego, membro da infraestrutura coordenada por nanotecnologia nacional, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS-20752).
Divulgações: Uma patente relacionada a este trabalho foi arquivada pelos regentes da Universidade da Califórnia (PCT Nº PCT/US24/46923.). Os autores declaram que não têm outros interesses concorrentes.
