Tegen 2030 zal elektronica naar verwachting meer dan een vijfde van het wereldwijde elektriciteitsverbruik verbruiken. Veel van die energie wordt verspild als warmte, waardoor koeling nodig is die ook stroom verbruikt, en vaak grote hoeveelheden water. Nu hebben onderzoekers aangetoond dat hydrogels – zoals we die vinden in contactlenzen, wondverbanden en luiers – elektronica kunnen koelen met vocht dat uit de lucht wordt geabsorbeerd.
Het idee is simpel: smeer een 0,5 tot 1 millimeter dikke hydrogellaag op een aluminium heat sink. De hydrogelcoating neemt vocht uit de lucht op en zwelt op als een processor niet op volle toeren draait. Tijdens piekuren, wanneer de processor opwarmt, verdampt het water en koelt de elektronica af.
“Dit passieve koelapparaat werkt autonoom zonder menselijke tussenkomst, zonder stroomverbruik en lage onderhoudskosten en eenvoudig systeemontwerp”, zegt Renkun Chen, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Californië, San Diego. “De methode is als de menselijke huid. Als we oververhit raken, gaan we zweten, en dat verdampt en zorgt voor verkoeling.”
Het concept dat onlangs in het tijdschrift Cell Reports Physical Science is gepresenteerd, zou bovendien goedkoop moeten zijn, aangezien de op natriumacrylaat gebaseerde hydrogel slechts 10 dollar per kilogram kost.
Anderen hebben al eerder aangetoond dat ze EV-batterijen en zonnepanelen koelen met platte hydrogelfilms. Als demonstratie plaatste dit team zowel een gewoon koellichaam als een met hydrogel gecoate spoelbak bovenop een veldeffecttransistor om deze af te koelen. Het koellichaam bracht de temperatuur van de chip met 8 °C omlaag, terwijl de met hydrogel gecoate spoelbak de temperatuur met 20 °C verlaagde.
Zodra het water in de hydrogel op is, verdwijnt het koelende effect. Chen zegt dat het team nu kijkt naar hydrogels die meer water kunnen absorberen en vasthouden. Het idee zou kunnen worden gecombineerd met andere actieve koeltechnologieën zoals ventilatoren en vloeistofkoeling om het energieverbruik te verminderen. En het gebruik ervan hoeft niet beperkt te blijven tot elektronica. “We overwegen het ook te gebruiken voor toepassingen zoals het koelen van gebouwen of zelfs persoonlijke koeling.”
Oververhitting is een prestatie- en veiligheidsprobleem voor krachtige elektronica, en het regelen van temperaturen in computers wordt steeds gecompliceerder naarmate elektronica krimpt en het vermogen toeneemt. Dan is er nog het energie- en waterverbruik. Alleen al de datacenters van de wereld verbruiken meer dan 200 miljard kilowattuur energie en bijna 1,6 biljoen ton water per jaar.
“Tegen 2030 zal elektronica naar verwachting meer dan een vijfde van het wereldwijde elektriciteitsverbruik verbruiken.”
Dat roept gelijk al vragen op als: “Wat is dan gedefineerd als elektronica? En, waar bestaat dat andere 4/5 deel dan uit? En hopelijk wordt de verspilde warmte en het verspilde water van datacenters ook nuttig gebruikt? Overigens: 200 miljard kWh per jaar komt overeen met een continu vermogen van ongeveer 3.5 W per aardbewoner bij 7 miljard bewoners. Een voorzichtige schatting zegt dat 3.5 miljard daarvan gebruik maken van online diensten. En dan komen we uit op ongeveer 7W per online aardbewoner. En dat lijkt niet zo erg want 7W is meestal kleiner dan het vermogen van de router/wifiaccespoint/glazvezel- dan wel coaxmodem die ook meestal 24h per dag aan staan. Aan de andere kant kun je waarschijnlijk zeggen dat de hele infrastructuur voor het hebben van een internet over al die aardbewoners opgeteld ver over die 200 miljard kWh heen gaat. Overigens blijken we per online aardbewoner 52 liter water per uur te gebruiken. Dat is ongeveer 450 m3 per jaar. Dat is ongeveer 10 keer zoveel als het gemiddeld jaarverbruik per persoon bij een 4 persoonshuishouden. Dat is wel erg veel!
Leuk die getallen! Een fijne dag nog!