Тепло обычно считают врагом электроники, но исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Цукубы решили использовать его в обратную сторону. Учёные создали твёрдотельный охладитель, который превращает поступающее тепло сначала в механическое движение, а затем в холод. В перспективе процессор, двигатель или промышленная установка смогут частично охлаждать себя за счёт собственного отходящего тепла.
В основе прототипа находятся две сверхтонкие плёнки из сплавов с памятью формы. Первая плёнка толщиной всего 22 микрометра изготовлена из никель-титана. При нагревании материал стремится вернуть первоначальную форму и создаёт механическое усилие. С ним связана вторая плёнка толщиной 26,5 микрометра из сплава никеля, титана и железа, которая работает уже как твёрдотельный хладагент.
При растяжении и последующем снятии нагрузки вторая плёнка меняет температуру. Такой эффект называют эластокалорическим. Раньше подобные системы уже рассматривали как альтернативу традиционным холодильникам, однако для растяжения материала обычно требовался электрический привод. Немецко-японская команда заменила электромотор тепловым приводом на основе другой плёнки с памятью формы.
Получилась своеобразная цепочка преобразований. Источник нагревает первую металлическую плёнку, та сокращается и тянет вторую. После изменения нагрузки вторая плёнка охлаждается. Никакого компрессора и циркулирующего газообразного хладагента для самого процесса охлаждения не требуется.
В лабораторных испытаниях при нагреве привода электрическим током до 86 °C система создала стабильный перепад температуры 4 К на уровне всего устройства. Непосредственно в охлаждающей плёнке разница достигала 12,9 К. Сам материал при быстрых испытаниях способен менять температуру ещё сильнее, примерно на 19,4 К, но механика экспериментальной установки пока не позволяет полностью реализовать такой потенциал.
Главный эксперимент исследователи провели с внешним источником тепла. Когда тепловую энергию передавали приводу через непосредственный контакт, охладитель поддерживал перепад температуры 2,2 К. Холодная сторона при этом становилась примерно на 1 °C холоднее исходной температуры. Такой результат пока слишком скромен для бытового холодильника или кондиционера, но подтверждает сам принцип работы без электрического двигателя.
Главная идея разработки как раз связана не с рекордно низкой температурой, а с источником энергии. Система потенциально может брать тепло там, где сейчас приходится тратить дополнительную электроэнергию на его отвод. KIT называет среди возможных применений охлаждение компьютерных процессоров за счёт их собственного тепловыделения и защиту автомобильной электроники с использованием тепла силовой установки. Другим источником энергии может стать солнечное тепло.
До реальных серверов и холодильников технологии пока далеко. Авторы называют нынешнюю конструкцию демонстратором принципа и признают, что прототип ещё не оптимизирован по мощности охлаждения. Следующим шагом станет параллельное объединение нескольких плёнок, которое должно увеличить количество отводимого тепла.
Если подход удастся масштабировать, привычная проблема перегрева получит довольно необычное решение. Вместо дополнительного электромотора часть бесполезного тепла сможет сама создавать механическую силу, необходимую для охлаждения. В таком устройстве горячий процессор фактически поможет охладить самого себя.