APL’s Chess tenké filmy téměř dvojitá účinnost chlazení. Škálovatelné materiály by mohly transformovat technologie chlazení a sklizni.
Vědci z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) v Laurel v Marylandu vytvořili nový termoelektrický chladicí systém v pevném státě, který je snadno vyroben a dvakrát efektivní jako zařízení vytvořené ze standardních objemových termoelektrických materiálů. Vzhledem k tomu, že globální potřeba kompaktních, spolehlivých a energeticky účinných chladicích technologií stále roste, tento vývoj poskytuje slibnou alternativu k konvenčnímu chlazení založené na kompresoru.
Ve studii zveřejněné ve Přírodní komunikaceVědci z APL, kteří pracují s inženýry chladičů ve společnosti Samsung Research, prokázali významná zlepšení účinnosti a chladicí kapacity pro pumpu. Tyto zisky byly umožněny prostřednictvím vysoce výkonných termoelektrických materiálů vyvinutých v APL, známé jako kontrolované hierarchicky upravené superlatční struktury (šachy).
Chesová platforma představuje vyvrcholení desetiletí APL výzkumu o pokročilé termoelektrice nano-inženýrství a jejich aplikacích. Materiál, původně navržený pro účely národní bezpečnosti, byl od té doby upraven pro jiná použití, včetně neinvazivních chladicích terapií pro protetiku, a v roce 2023 byl uznán cenou R&D 100.
„Tato demonstrace chlazení v reálném světě pomocí nových termoelektrických materiálů představuje schopnosti nano-inženýrských šachových filmů,“ řekl Rama Venkatasubramanian, hlavní vyšetřovatel společného projektu a hlavní technolog pro termoelektriku v APL. „Označuje významný skok v technologii chlazení a nastavuje fázi převádění pokroků v termoelektrických materiálech do praktických, rozsáhlých energeticky efektivních chladicích aplikací.“
Nový měřítko pro chlazení pevného stavu
Poptávka po menších a účinnějších technologiích chlazení je poháněna růstem populace, rozšířením měst a rostoucí závislostí na pokročilé elektronice a rozsáhlých datových systémech. Ačkoli jsou tradiční metody chlazení účinné, mají tendenci být objemné, spotřebovávají značné množství energie a spoléhají na chemické chladiva, která může poškodit životní prostředí.
Termoelektrické chlazení nabízí slibnou alternativu. Tento přístup přenáší teplo pomocí elektronů v rámci specializovaných polovodičových materiálů, což eliminuje potřebu pohyblivých částí nebo chemických chladičů. Výsledkem je, že tyto systémy mohou být kompaktní, tiché, spolehlivé a ekologicky udržitelné. Zatímco hromadné termoelektrické materiály se již používají v malých výrobcích, jako jsou mini-refrigerátory, jejich nízká účinnost, omezená kapacita přenosu tepla a špatná kompatibilita s výrobou polovodičových čipů omezily jejich adopci ve větších vysoce výkonných aplikacích.
Ve studii vědci porovnávali chladicí moduly používající tradiční hromadné termoelektrické materiály s materiály používajícími šachové tenkovrstvé materiály ve standardizovaných testech chlazení, měření a porovnání elektrické energie potřebné k dosažení různých úrovní chlazení ve stejných komerčních testovacích systémech ledničky. Tým Samsung Research Life Solution, vedený výkonným viceprezidentem Joonhyunem Leeem, spolupracoval s APL na ověření výsledků prostřednictvím podrobného tepelného modelování, kvantifikací tepelného zatížení a parametrů tepelné odolnosti, aby bylo zajištěno přesné hodnocení výkonu za podmínek reálného světa.
Výsledky byly nápadné: pomocí šachových materiálů tým APL dosáhl téměř 100% zlepšení účinnosti oproti tradičním termoelektrickým materiálům při teplotě místnosti (přibližně 80 stupňů Fahrenheitanebo 25 ° C). Poté přeložili tyto zisky na úrovni materiálu do téměř 75% zlepšení účinnosti na úrovni zařízení v termoelektrických modulech vytvořených s šachovými materiály a 70% zlepšení účinnosti v plně integrovaném chladicím systému, z nichž každá představuje významné zlepšení oproti nejmodernějším hromadným termoelektrickým zařízením. Tyto testy byly dokončeny za podmínek, které zahrnovaly značné množství tepelného čerpání k replikaci praktického provozu.
Postaveno do měřítka
Kromě zlepšení účinnosti používá technologie šachové tenkého filmu pozoruhodně méně materiálu-pouze 0,003 kubických centimetrů nebo asi velikosti zrnu písku na chladicí jednotku. Toto snížení materiálu znamená, že Thermoelektrické materiály APL by mohly být vyráběny hromadně pomocí nástrojů pro výrobu polovodičů, efektivity nákladů na náklady a umožnění rozšířeného přijetí trhu.
„Tato technologie tenkovrstvy má potenciál růst z napájení malých chladicích systémů na podporu velkých stavebních aplikací HVAC, podobně jako způsob, jakým byly lithium-iontové baterie upraveny na napájecí zařízení tak malá jako mobilní telefony a stejně velká jako elektrická vozidla,“ řekl VenkataSubramanian.
Kromě toho byly šachové materiály vytvořeny pomocí dobře zavedeného procesu běžně používaného k výrobě vysoce účinných solárních článků, které napájí satelity a komerční LED světla.
„K výrobě šachových materiálů jsme použili kovo-organickou chemickou depozici párů (MOCVD), což je metoda, která je známá pro její škálovatelnost, nákladovou efektivitu a schopnost podporovat rozsáhlý výrobu,“ řekl Jon Pierce, vedoucí výzkumný inženýr, který vede schopnost růstu MOCVD na APL. „MOCVD je již komerčně široce používán, takže je ideální pro rozšiřování chess tenkovrstvých termoelektrických materiálů.“
Budoucí aplikace a sběr energie
Tyto materiály a zařízení i nadále vykazují slib pro širokou škálu aplikací pro sklizeň energie a elektroniky, kromě nedávného pokroku v chlazení. APL plánuje i nadále partnerství s organizacemi, aby zdokonaloval šachové termoelektrické materiály se zaměřením na účinnost zvyšování, aby se přiblížilo k účinnosti konvenčních mechanických systémů. Mezi budoucí úsilí patří prokázání rozsáhlých chladicích systémů, včetně mrazniček, a integrace metod založených na umělé inteligenci pro optimalizaci energetické účinnosti v rozčleněném nebo distribuovaném chlazení v chlazení a zařízení HVAC.
„Kromě chlazení jsou šachové materiály také schopny převádět teplotní rozdíly, jako je tělesné teplo, na použitelnou sílu,“ řekl Jeff Maranchi, manažer oblasti průzkumného programu v oblasti APL pro výzkum a průzkumnou rozvojovou misi. „Kromě rozvoje hmatových systémů nové generace, protetiky a rozhraní pro lidské stroje to otevírá dveře škálovatelným energetickým technologiím pro aplikace od počítačů po kosmické lodě-schopnosti, které nebyly proveditelné se staršími objemnějšími termoelektrickými zařízeními.“
„Úspěch tohoto úsilí o spolupráci ukazuje, že vysoce účinné chlazení pevného státu je nejen vědecky životaschopné, ale v měřítku výrobu,“ řekla Susan Ehrlich, manažerka technologické komercializace APL. „Těšíme se na další výzkum a možnosti přenosu technologií se společnostmi, když se snažíme převádět tyto inovace do praktických aplikací v reálném světě.“
Reference: „Termoelektrické materiály na nano-inženýrství, které umožňují praktické chlazení pevného státu“ od Jake Ballarda, Matthew Hubbard, Sung-Jin Jung, Vanessa Rojas, Richard Ung, Junwoo Suh, Minsoo Kim, Joonhyun Lee, Joonthan M. Pierce a Rama Pierce a Rama Pierce a Rama Pierce a Rama Pierce a Rama PIERC Přírodní komunikace.
Doi: 10.1038/s41467-025-59698-y
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
