Is het een chip of een luier?

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.