Hidrogel traz alívio de resfriamento para eletrônicos

A eletrônica está programada para consumir mais de um quinto do uso mundial de eletricidade até 2030. Grande parte dessa energia é desperdiçada como calor, exigindo refrigeração que também consome energia e, muitas vezes, grandes quantidades de água.

Para diminuir o uso de energia e água, os pesquisadores agora mostraram que os hidrogéis - usados ​​em lentes de contato, curativos e fraldas - podem resfriar 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. Usados ​​comumente 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. Nos 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 baixo custo de manutenção e design de sistema simples", diz Renkun Chen, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade da Califórnia, em San Diego. "O método é como a pele humana. Quando ficamos superaquecidos, suamos, e isso evapora e resfria."

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 diminuem e a energia aumenta. Depois, há o uso de energia e água. Somente os data centers do mundo usam mais de 200 bilhões de quilowatts-hora de energia e quase 1,6 trilhão de toneladas de água por ano.

Existem várias maneiras de resfriar eletrônicos hoje. Em computadores, materiais térmicos transferem calor de chips de microprocessadores para dissipadores de calor que são resfriados a ar usando ventiladores. O resfriamento líquido, no qual a água circulante desvia o calor para um radiador, também é popular para CPUs. Os data centers, por sua vez, ficam em espaços com ar-condicionado e também contam com refrigeração líquida. Todos esses sistemas de resfriamento ativos usam energia para operar ventiladores, sistemas HVAC e bombas de água.

Pesquisadores vêm desenvolvendo novas maneiras de resfriar eletrônicos há anos. O resfriamento por microcanais, por exemplo, reduz o consumo de energia do resfriamento líquido, colocando pequenos canais de resfriamento líquido ao lado ou até mesmo dentro dos chips de computador.

Mas o conceito que Chen e seus colegas apresentaram recentemente na revista Cell Reports Physical Science é relativamente direto e totalmente passivo, não necessitando de entrada de energia. E pode 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 resfriar baterias de veículos elétricos e painéis solares antes 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 um dissipador de calor tradicional [canto inferior esquerdo] e com hidrogel [canto inferior direito]. Renkun Chen

Como demonstração, eles colocaram um dissipador de calor comum 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 reduziu em 20 °C.

Uma vez esgotada a água no hidrogel, seu efeito de resfriamento evaporativo desaparece. Chen diz que a equipe agora está procurando hidrogéis que possam absorver e reter mais água. A ideia pode ser combinada com outras tecnologias de resfriamento ativo, como ventiladores e resfriamento líquido, para reduzir o uso de energia. E seu uso não precisa se limitar a eletrônicos. "Também prevemos usá-lo para aplicações como resfriamento de edifícios ou até mesmo resfriamento pessoal."