Hydrogel bringt kühlende Erleichterung in die Elektronik

Jul 01, 2023

Schätzungen zufolge wird die Elektronik bis 2030 über ein Fünftel des weltweiten Stromverbrauchs verbrauchen. Ein Großteil dieser Energie wird als Wärme verschwendet und erfordert eine Kühlung, die auch Strom und oft große Mengen Wasser verbraucht.

Um diesen Energie- und Wasserverbrauch einzudämmen, haben Forscher nun gezeigt, dass Hydrogele – die in Kontaktlinsen, Wundauflagen und Windeln verwendet werden – mithilfe der aus der Luft aufgenommenen Feuchtigkeit Hochleistungselektronik kühlen können.

Die Idee ist einfach: Tragen Sie eine 0,5 bis 1 Millimeter dicke Hydrogelschicht auf einen Aluminiumkühlkörper auf. Kühlkörper, die häufig in Laptops und CPUs verwendet werden, sind Metallstrukturen mit Rippen und Rippen, um ihre Oberfläche zu vergrößern und so eine effizientere Wärmeübertragung zu ermöglichen. Die Hydrogel-Beschichtung nimmt Feuchtigkeit aus der Luft auf und quillt auf, wenn ein Prozessor nicht auf Hochtouren läuft. Zu Spitzenzeiten, wenn der Prozessor aufheizt, verdunstet das Wasser und kühlt die Elektronik.

„Dieses passive Kühlgerät arbeitet autonom ohne menschliches Eingreifen, ohne Stromverbrauch, mit geringen Wartungskosten und einem einfachen Systemdesign“, sagt Renkun Chen, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of California in San Diego. „Die Methode ist wie die menschliche Haut. Wenn wir überhitzen, schwitzen wir, und das verdunstet und sorgt für Abkühlung.“

Überhitzung ist ein Leistungs- und Sicherheitsrisiko für Hochleistungselektronik, und die Regulierung der Temperaturen in Computern wird immer komplizierter, wenn die Elektronik schrumpft und die Leistung steigt. Hinzu kommt der Energie- und Wasserverbrauch. Allein die Rechenzentren der Welt verbrauchen jährlich über 200 Milliarden Kilowattstunden Energie und fast 1,6 Billionen Tonnen Wasser.

Heutzutage gibt es verschiedene Möglichkeiten, Elektronik zu kühlen. In Computern übertragen thermische Materialien Wärme von Mikroprozessorchips auf Kühlkörper, die mithilfe von Lüftern luftgekühlt werden. Auch bei CPUs ist die Flüssigkeitskühlung beliebt, bei der zirkulierendes Wasser die Wärme an einen Kühler ableitet. Rechenzentren hingegen sind in klimatisierten Räumen untergebracht und setzen ebenfalls auf Flüssigkeitskühlung. Alle diese aktiven Kühlsysteme verbrauchen Energie, um Ventilatoren, HVAC-Systeme und Wasserpumpen zu betreiben.

Seit Jahren entwickeln Forscher neue Möglichkeiten zur Kühlung von Elektronikgeräten. Die Mikrokanalkühlung beispielsweise senkt den Energieverbrauch der Flüssigkeitskühlung, indem winzige Flüssigkeitskühlungskanäle direkt neben oder sogar in Computerchips platziert werden.

Aber das Konzept, das Chen und Kollegen kürzlich in der Zeitschrift Cell Reports Physical Science vorgestellt haben, ist relativ einfach und völlig passiv und erfordert keinen Energieaufwand. Und es könnte kostengünstig sein, wenn man bedenkt, dass das von ihnen verwendete Hydrogel auf Natriumacrylatbasis billig ist und nur 10 US-Dollar pro Kilogramm kostet. Andere haben bereits zuvor demonstriert, dass EV-Batterien und Solarmodule mit flachen Hydrogelfolien gekühlt werden.

Oben links ist ein Schema des Testaufbaus zu sehen. Die Infrarotbilder zeigen einen Feldeffekttransistor (FET) ohne Kühlkörper [oben rechts], mit einem herkömmlichen Kühlkörper [unten links] und mit Hydrogel [unten rechts]. Renkun Chen

Zur Demonstration platzierten sie sowohl einen normalen Kühlkörper als auch einen mit Hydrogel beschichteten Kühlkörper auf einem Feldeffekttransistor, um ihn zu kühlen. Der Kühlkörper senkte die Temperatur des Chips um 8 °C, während der mit Hydrogel beschichtete Kühlkörper sie um 20 °C senkte.

Sobald das Wasser im Hydrogel aufgebraucht ist, verschwindet seine Verdunstungskühlungswirkung. Chen sagt, dass das Team derzeit nach Hydrogelen sucht, die mehr Wasser aufnehmen und speichern können. Die Idee könnte mit anderen aktiven Kühltechnologien wie Lüftern und Flüssigkeitskühlung kombiniert werden, um den Energieverbrauch zu senken. Und sein Einsatz muss nicht auf die Elektronik beschränkt sein. „Wir stellen uns auch vor, es für Anwendungen wie die Kühlung von Gebäuden oder sogar für die Kühlung von Privatpersonen einzusetzen.“