Notícias

Sep 10, 2023

Hydrogel traz alívio de resfriamento para eletrônicos

Os eletrônicos deverão consumir mais de um quinto do consumo mundial de eletricidade até 2030. Grande parte dessa energia é desperdiçada como calor, exigindo resfriamento que também consome energia e, muitas vezes, grandes quantidades de energia.

Prevê-se que os produtos eletrónicos consumam mais de um quinto do consumo mundial de eletricidade até 2030. Grande parte dessa energia é desperdiçada como calor, exigindo um arrefecimento que também consome energia e, muitas vezes, grandes quantidades de água.

Para diminuir o uso de energia e água, os pesquisadores demonstraram agora que os hidrogéis – usados ​​em lentes de contato, curativos e fraldas – podem resfriar componentes eletrônicos de alta potência usando a umidade absorvida do ar.

A ideia é simples: revestir uma camada de hidrogel de 0,5 a 1 milímetro de espessura em um dissipador de calor de alumínio. Geralmente usados ​​em laptops e CPUs, os dissipadores de calor são estruturas metálicas com aletas e saliências para aumentar sua área de superfície para uma transferência de calor mais eficiente. O revestimento de hidrogel absorve a umidade do ar e incha quando o processador não está funcionando a todo vapor. Durante os horários de pico, quando o processador esquenta, a água evapora e esfria os componentes eletrônicos.

“Este dispositivo de resfriamento passivo funciona de forma autônoma, sem intervenção humana, sem consumo de energia e com baixo custo de manutenção e design de sistema simples”, diz Renkun Chen, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade da Califórnia, em San Diego. “O método é como a pele humana. Quando ficamos superaquecidos, suamos, e isso evapora e proporciona resfriamento.”

O superaquecimento é uma preocupação de desempenho e segurança para eletrônicos de alta potência, e a regulação de temperaturas em computadores fica cada vez mais complicada à medida que os eletrônicos encolhem e a energia aumenta. Depois, há o uso de energia e água. Só os data centers do mundo utilizam mais de 200 mil milhões de quilowatts-hora de energia e quase 1,6 biliões de toneladas de água por ano.

Existem várias maneiras de resfriar os eletrônicos hoje. Nos computadores, os materiais térmicos transferem calor dos chips do microprocessador para dissipadores de calor resfriados a ar por meio de ventiladores. O resfriamento líquido, no qual a água circulante transfere o calor para um radiador, também é popular para CPUs. Enquanto isso, os data centers ficam alojados em espaços com ar condicionado e também contam com refrigeração líquida. Todos esses sistemas de resfriamento ativo usam energia para operar ventiladores, sistemas HVAC e bombas de água.

Os pesquisadores vêm desenvolvendo novas maneiras de resfriar eletrônicos há anos. O resfriamento por microcanais, por exemplo, reduz o uso de energia do resfriamento líquido ao colocar minúsculos canais de resfriamento líquido próximos ou mesmo dentro de chips de computador.

Mas o conceito que Chen e colegas apresentaram recentemente na revista Cell Reports Physical Science é relativamente simples e totalmente passivo, não necessitando de entrada de energia. E poderia ser de baixo custo, considerando que o hidrogel à base de acrilato de sódio que eles usam é barato, custando apenas US$ 10 o quilo. Outros já demonstraram o resfriamento de baterias de veículos elétricos e painéis solares com filmes planos de hidrogel.

No canto superior esquerdo está um esquema da configuração de teste. As imagens infravermelhas são de um transistor de efeito de campo (FET) sem dissipador de calor [canto superior direito], com dissipador de calor tradicional [canto inferior esquerdo] e com hidrogel [canto inferior direito]. Renkun Chen

Como demonstração, eles colocaram um dissipador de calor normal e um dissipador revestido de hidrogel em cima de um transistor de efeito de campo para resfriá-lo. O dissipador de calor reduziu a temperatura do chip em 8 °C, enquanto o dissipador revestido de hidrogel a reduziu em 20 °C.

Uma vez esgotada a água do hidrogel, seu efeito de resfriamento evaporativo desaparece. Chen diz que a equipe está agora analisando hidrogéis que possam absorver e reter mais água. A ideia poderia ser combinada com outras tecnologias de refrigeração ativa, como ventiladores e refrigeração líquida, para reduzir o uso de energia. E seu uso não precisa se limitar à eletrônica. “Também pretendemos usá-lo para aplicações como refrigeração de edifícios ou até mesmo refrigeração pessoal.”