L'idrogel apporta sollievo dal raffreddamento all'elettronica

Jul 01, 2023

Si prevede che l’elettronica consumerà oltre un quinto del consumo elettrico mondiale entro il 2030. Gran parte di quell’energia viene sprecata sotto forma di calore, richiedendo un raffreddamento che consuma anche energia e spesso abbondanti quantità di acqua.

Per intaccare il consumo di energia e acqua, i ricercatori hanno ora dimostrato che gli idrogel, utilizzati nelle lenti a contatto, nelle medicazioni per ferite e nei pannolini, potrebbero raffreddare i componenti elettronici ad alta potenza utilizzando l’umidità assorbita dall’aria.

L'idea è semplice: rivestire uno strato di idrogel spesso da 0,5 a 1 millimetro su un dissipatore di calore in alluminio. Utilizzati comunemente in laptop e CPU, i dissipatori di calore sono strutture metalliche con alette e creste per aumentare la loro superficie per un trasferimento di calore più efficiente. Il rivestimento in idrogel assorbe l'umidità dall'aria e si gonfia quando il processore non funziona alla massima inclinazione. Durante le ore di punta, quando il processore si riscalda, l'acqua evapora e raffredda l'elettronica.

"Questo dispositivo di raffreddamento passivo funziona in modo autonomo senza intervento umano, senza consumo energetico, con bassi costi di manutenzione e una progettazione semplice del sistema", afferma Renkun Chen, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Università della California, a San Diego. “Il metodo è come la pelle umana. Quando ci surriscaldiamo, sudiamo e questo evapora e fornisce raffreddamento.

Il surriscaldamento è un problema di prestazioni e sicurezza per i dispositivi elettronici ad alta potenza e la regolazione della temperatura nei computer diventa sempre più complicata man mano che i componenti elettronici si restringono e la potenza aumenta. Poi c'è il consumo di energia e acqua. I soli data center del mondo utilizzano oltre 200 miliardi di kilowattora di energia e quasi 1,6 trilioni di tonnellate di acqua all'anno.

Esistono vari modi per raffreddare l'elettronica oggi. Nei computer, i materiali termici trasferiscono il calore dai chip del microprocessore ai dissipatori di calore raffreddati ad aria mediante ventole. Anche il raffreddamento a liquido, in cui l'acqua circolante convoglia il calore verso un radiatore, è popolare per le CPU. I data center, invece, sono ospitati in spazi climatizzati e si affidano anche al raffreddamento a liquido. Tutti questi sistemi di raffreddamento attivi utilizzano energia per far funzionare ventilatori, sistemi HVAC e pompe dell'acqua.

Da anni i ricercatori sviluppano nuovi modi per raffreddare i dispositivi elettronici. Il raffreddamento a microcanali, ad esempio, riduce il consumo di energia del raffreddamento a liquido inserendo minuscoli canali di raffreddamento a liquido proprio accanto o addirittura all’interno dei chip del computer.

Ma il concetto che Chen e colleghi hanno recentemente presentato sulla rivista Cell Reports Physical Science è relativamente semplice e completamente passivo, non necessitando di input di energia. E potrebbe essere a basso costo, considerando che l’idrogel a base di acrilato di sodio che usano è economico, costando solo 10 dollari al chilogrammo. Altri hanno già dimostrato di raffreddare batterie di veicoli elettrici e pannelli solari con pellicole piatte di idrogel.

In alto a sinistra c'è uno schema della configurazione del test. Le immagini all'infrarosso sono di un transistor ad effetto di campo (FET) senza dissipatore di calore [in alto a destra], con un dissipatore di calore tradizionale [in basso a sinistra] e con idrogel [in basso a destra]. Renkun Chen

A titolo dimostrativo, hanno posizionato sia un normale dissipatore di calore che un dissipatore rivestito di idrogel sopra un transistor ad effetto di campo per raffreddarlo. Il dissipatore di calore ha abbassato la temperatura del chip di 8 °C, mentre il dissipatore rivestito di idrogel l'ha abbassata di 20 °C.

Una volta esaurita l’acqua nell’idrogel, il suo effetto di raffreddamento evaporativo scompare. Chen afferma che il team sta ora esaminando gli idrogel in grado di assorbire e trattenere più acqua. L’idea potrebbe essere combinata con altre tecnologie di raffreddamento attivo come ventole e raffreddamento a liquido per ridurre il consumo di energia. E il suo utilizzo non deve limitarsi all’elettronica. “Prevediamo anche di utilizzarlo per applicazioni come il raffreddamento degli edifici o anche il raffreddamento personale”.