El hidrogel brinda alivio de enfriamiento a la electrónica

Está previsto que la electrónica consuma más de una quinta parte del uso de electricidad del mundo para 2030. Gran parte de esa energía se desperdicia como calor, lo que requiere refrigeración que también consume energía y, a menudo, grandes cantidades de agua.

Para hacer mella en ese uso de energía y agua, los investigadores ahora han demostrado que los hidrogeles, utilizados en lentes de contacto, vendajes para heridas y pañales, podrían enfriar los dispositivos electrónicos de alta potencia utilizando la humedad absorbida del aire.

La idea es simple: cubra una capa de hidrogel de 0,5 a 1 milímetro de espesor en un disipador de calor de aluminio. Usados ​​comúnmente en computadoras portátiles y CPU, los disipadores de calor son estructuras metálicas con aletas y crestas para aumentar su área de superficie para una transferencia de calor más eficiente. El revestimiento de hidrogel absorbe la humedad del aire y se hincha cuando un procesador no está funcionando a toda velocidad. Durante las horas pico, cuando el procesador se calienta, el agua se evapora y enfría los componentes electrónicos.

"Este dispositivo de enfriamiento pasivo funciona de forma autónoma sin intervención humana, sin consumo de energía y con un bajo costo de mantenimiento y un diseño de sistema simple", dice Renkun Chen, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de California en San Diego. "El método es como la piel humana. Cuando nos sobrecalentamos, sudamos, y eso se evapora y refresca".

El sobrecalentamiento es un problema de rendimiento y seguridad para los dispositivos electrónicos de alta potencia, y la regulación de la temperatura en las computadoras se vuelve cada vez más complicada a medida que los dispositivos electrónicos se encogen y aumenta la potencia. Luego está el uso de energía y agua. Solo los centros de datos del mundo utilizan más de 200 mil millones de kilovatios-hora de energía y casi 1,6 billones de toneladas de agua al año.

Hay varias formas de enfriar la electrónica hoy en día. En las computadoras, los materiales térmicos transfieren el calor de los chips del microprocesador a los disipadores de calor que se enfrían con aire mediante ventiladores. La refrigeración líquida, en la que el agua circulante desvía el calor hacia un radiador, también es popular para las CPU. Mientras tanto, los centros de datos están alojados en espacios con aire acondicionado y también dependen de la refrigeración líquida. Todos estos sistemas de enfriamiento activos usan energía para hacer funcionar ventiladores, sistemas HVAC y bombas de agua.

Los investigadores han estado desarrollando nuevas formas de enfriar la electrónica durante años. La refrigeración por microcanales, por ejemplo, reduce el consumo de energía de la refrigeración líquida al colocar diminutos canales de refrigeración líquida justo al lado o incluso dentro de los chips informáticos.

Pero el concepto que Chen y sus colegas presentaron recientemente en la revista Cell Reports Physical Science es relativamente sencillo y completamente pasivo, y no necesita aporte de energía. Y podría ser de bajo costo, considerando que el hidrogel a base de acrilato de sodio que usan es barato, cuesta solo US $ 10 por kilogramo. Otros han demostrado el enfriamiento de baterías de vehículos eléctricos y paneles solares antes con películas planas de hidrogel.

En la parte superior izquierda hay un esquema de la configuración de prueba. Las imágenes infrarrojas son de un transistor de efecto de campo (FET) sin disipador de calor [arriba a la derecha], con un disipador de calor tradicional [abajo a la izquierda] y con hidrogel [abajo a la derecha]. Renkun Chen

Como demostración, colocaron un disipador de calor normal y un disipador recubierto de hidrogel encima de un transistor de efecto de campo para enfriarlo. El disipador de calor redujo la temperatura del chip en 8 °C, mientras que el disipador recubierto de hidrogel la redujo en 20 °C.

Una vez que se agota el agua en el hidrogel, su efecto de enfriamiento por evaporación desaparece. Chen dice que el equipo ahora está buscando hidrogeles que puedan absorber y retener más agua. La idea podría combinarse con otras tecnologías de refrigeración activa como ventiladores y refrigeración líquida para reducir el uso de energía. Y su uso no tiene por qué limitarse a la electrónica. "También imaginamos usarlo para aplicaciones como la refrigeración de edificios o incluso la refrigeración personal".