Los investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de John Hopkins (APL) en la ciudad de Lorel, Maryland, han desarrollado una nueva tecnología de refrigeración termo eléctrica de estado sólido fácilmente hecha con materiales nanogineados que están disponibles comercialmente con materiales eléctricos a granel a granel disponibles comercialmente. Dado que la demanda global de una solución de enfriamiento más eficiente, confiable y compacta, este progreso ofrece una alternativa expansiva a la refrigeración tradicional basada en el compresor.
En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza El 21 de mayo, un equipo de investigadores de Samsung Electronics APL y los ingenieros de refrigeración realizó un mejor rendimiento de bombeo y capacidad para bombear el calor en el sistema de refrigeración, que se atribuye a materiales termo eléctricos nanogineados de alto rendimiento.
La tecnología de ajedrez es el resultado de una investigación de 10 años realizada por APL en el desarrollo de materiales y aplicaciones termo -de Thermo -Thermo -Thermopromo. Inicialmente desarrollado para solicitudes de seguridad nacional, este material también se ha utilizado para terapias de enfriamiento no vioceivas para la naturaleza artificial y ganó el premio R&D 100 en 2023.
“Esta demostración real de refrigeración, utilizando los nuevos materiales termo eléctricos, muestra las habilidades de las películas de ajedrez de ingeniería nano”, dijo Ram Venkatasbini, un proyecto conjunto, un proyecto conjunto en la APL. “Hace un salto importante en la tecnología de enfriamiento y toma la fase de traducir el desarrollo de material termo eléctrico a aplicaciones prácticas de refrigeración de energía a gran escala y eficiente en energía”.
Un nuevo estándar para el enfriamiento de estado sólido
La presión para tecnologías de enfriamiento más eficientes y compactas es alimentada por varios factores, incluido el aumento del crecimiento de la población, la electrónica urbana y moderna y la mayor dependencia de la infraestructura de datos. Los sistemas de enfriamiento tradicionales, aunque efectivos, a menudo dependen de los refrigeradores grandes y químicos de energía profunda que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.
La refrigeración termo eléctrica se considera ampliamente como una solución potencial. Este método se enfría mediante el uso del calor para transmitir el calor a través del material semiconductor especial, elimina la necesidad de piezas o productos químicos dañinos y hace que los refrigeradores de próxima generación sean tranquilos, compactos, confiables y duraderos. Los materiales termo eléctricos a granel se utilizan en dispositivos pequeños como el mini fridge, pero su rendimiento limitado, baja capacidad de bombeo de calor e incompetencia con la expansión de la tela de chip de semiconductores han detenido su amplio uso de sistemas históricamente de alto rendimiento.
En el estudio, los investigadores comparan los módulos de refrigeración utilizando materiales termo eléctricos tradicionales a granel con aquellos que usan materiales de ajedrez en pruebas de refrigeración estándar, para lograr diferentes niveles de enfriamiento en el mismo sistema de prueba de refrigerador comercial para lograr diferentes niveles de enfriamiento. El equipo de refrigeración de Samsung Electronics, dirigido por el ingeniero de materiales Singjan Jang, combinado con la APL para confirmar los resultados a través del modelado térmico detallado, para garantizar la carga de calor y los parámetros de resistencia térmica para garantizar pruebas de rendimiento precisas en condiciones reales del mundo.
Los resultados fueron sorprendentes: al usar materiales de ajedrez, el equipo de APL logró aproximadamente un 100 % de mejora que los materiales termo eléctricos tradicionales a temperatura ambiente (aproximadamente 80 80 grados Fahrenheit, o 25c). Luego tradujo los beneficios de estos niveles de material a una mejora de aproximadamente el 75 % a nivel de dispositivo y un sistema de refrigeración completamente integrado en los módulos Theromo -Electric hechos con materiales de ajedrez, y cada uno representaba el dispositivo termo eléctrico masivo más avanzado. Estas pruebas se completaron en las condiciones que incluían una cantidad significativa de bombeo de calor para crear una copia de la operación práctica.
Hecho para escala
Más allá de mejorar la eficiencia, la tecnología de película delgada de ajedrez es significativamente menos material, solo alrededor de 0.003 centímetros cúbicos, o aproximadamente del tamaño del grano de arena, por unidad de refrigeración. Esta reducción en el contenido significa que los materiales termo eléctricos APL pueden ser ampliamente fabricados por herramientas de producción de chips de semiconductores, el rendimiento de los costos de impulso y los mercados de marketing generalizado del mercado.
“Esta tecnología de película delgada tiene el potencial de admitir sistemas de refrigeración a escala pequeña, para admitir grandes aplicaciones de HVAC de construcción, así como las baterías de litio, se han escalado en equipos de energía pequeños y de energía como teléfonos móviles”, dijo Venkatas
Además, el material de ajedrez se creó utilizando un proceso bien establecido que se usa comúnmente para la fabricación de células solares de alto rendimiento que fortalecen las luces LED satelitales y comerciales.
“Utilizamos vapores químicos orgánicos de metal (MOCVD) para preparar el contenido de ajedrez (MOCVD) para preparar materiales de ajedrez, dijo June Pierce, un ingeniero de investigación senior que guía la capacidad del crecimiento de MOCVD en la APL, una forma que respalda sus escamas, la efectividad de costo y la capacidad de costo efectivo”. “MOCVD ya se usa comercialmente, lo que es ideal para promover la producción de materiales termo eléctricos de película de ajedrez delgada”.
Además del progreso reciente en la refrigeración, estos materiales y dispositivos continúan prometiendo una amplia gama de aplicaciones de recolección de energía y electrónica. APL planea continuar contribuyendo a las organizaciones para mejorar el contenido termo eléctrico de ajedrez, centrándose en aumentar el rendimiento para alcanzar los sistemas mecánicos tradicionales. Los esfuerzos futuros incluyen demostrar sistemas de refrigeración a gran escala, incluidos el congelador y los métodos impulsados por la inteligencia artificial para mejorar la eficiencia energética en refrigeración y enfriamiento compartimizado o distribuido en dispositivos HVAC.
“Más allá de la refrigeración, los materiales de ajedrez, como la refrigeración, son capaces de convertir las diferencias de temperatura en una fuerza útil”, dijo Jeff Maranchi, gerente del área del programa de exploración en el área de misión de desarrollo de investigación y exploración de la APL. “Además de avanzar en el sistema SuperSh de la próxima generación, las clases artificiales y la interfaz de la máquina humana, abre la puerta a las tecnologías de recolección de energía expansionistas de SC para aplicaciones que van desde la computadora hasta la nave espacial.
“El éxito de este intento de cooperación mutua muestra que la refrigeración de estado sólido sólido de alto rendimiento no solo es científicamente viable, sino que se desarrolla en una escala”, dijo Susan Ehilch, gerente de comercialización de tecnología APL. “Esperamos una oportunidad permanente para la investigación y la transferencia de tecnología con las empresas porque trabajamos para traducir estas innovaciones en aplicaciones prácticas y reales del mundo”.
