Аспирант Университета ИТМО Даниил Абрашин разрабатывает систему охлаждения для серверов и персональных компьютеров, которая при помощи термоэлектрических эффектов преобразует излишнее тепло от процессора в электроэнергию. В теории ее можно даже использовать для питания дополнительного оборудования.

В этой статье расскажем о сути проекта.

Как обычно охлаждают термоэлектричеством

Принцип работы термоэлектрических систем охлаждения основан на эффекте Пельтье —переносе тепловой энергии при прохождении электрического тока через контакт двух материалов с разным уровнем энергии электронов зоны проводимости. За счет этой разницы контакт, проще говоря, выделяет или поглощает энергию (тепло) в зависимости от направления электрического тока. В металлах эффект Пельтье слишком мал, поэтому в практических приложениях термоэлектричества используют сочетание полупроводников p и n-типов, у которых разница уровней энергии электронов в зоне проводимости больше.

Конструктивно элемент Пельтье, применяемый для охлаждения, представляет собой множество термопар, соединенных параллельно и расположенных между двумя керамическими пластинами. При пропускании электрического тока за счет описанного эффекта модуль охлаждает одну пластину относительно другой.

КПД элемента Пельтье довольно мал, даже если не учитывать тот факт, что и сама конструкция при прохождении электрического тока немного нагревается. Его хватает для охлаждения “бытового” процессора. Но при попытках отводить большие объемы тепловой энергии, охладитель просто перестает работать, поэтому до сих пор они не применяются активно в серверных системах (да и на рабочих станциях тоже не распространены).

Как работает элемент Cold Energy

Научная группа из Университета ИТМО во главе с Даниилом Абрашиным, сейчас — аспирантом второго курса факультета инфокоммуникационных технологий ИТМО,  подошла к вопросу несколько иначе, задействовав механизмы, основанные на эффекте Зеебека — возникновении термо-ЭДС при последовательном соединении нескольких разнородных проводников в условиях градиента температуры. Созданный охлаждающий элемент не рассеивает тепло, отведенное от одной из поверхностей, а преобразует его в электрический ток, который можно было бы использовать в том числе для питания дополнительного оборудования (после преобразования к 12 В).

В основе проекта наработки международной научной лаборатории, в которую входили Калифорнийский технологический институт, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, а также коллеги из Турции и Университета ИТМО. В свое время Даниил не успел поучаствовать в этом международном проекте, поскольку он был завершен к моменту его поступления, но начал изучение полученных лабораторией данных еще в магистратуре.

Ученые этой лаборатории показали, что в термоэлектрических устройствах можно эффективно использовать нанопорошок теллуридов сурьмы и висмута, полученный измельчением этих материалов в механоактивационной мельнице. Причем, чем меньше размер нанозерна в смеси, тем эффективнее работает перенос тепла.

При чем тут фуллерены

Международная лаборатория предложила создавать термоэлектрические устройства с помощью экструзии смеси нанопорошков на подложку. К сожалению, в ходе этого процесса нанозерна реклисталлизуются, вырастая до размеров 10-15 нм, из-за чего вырабатываемая созданным устройством термо-ЭДС уменьшается. 

Чтобы уменьшить размер нанозерен, группа во главе с Даниилом предложила использовать фуллерены. Порошок фуллерена добавляется к нанозернам теллурида сурьмы или висмута после мельницы. А для дальнейшего формирования охлаждающего элемента используется искровое плазменное спекание. В ходе этого процесса между нанозернами под воздействием электрических разрядов образуется плазма, и так зерна попадают в оболочку из фуллерена, которая препятствует их рекристаллизации. Происходит это достаточно равномерно — частица металла обволакивается фуллереном, благодаря абсорбции, и не растет в ходе спекания. В итоге размер полученного зерна не превышает 5 нм.

Кстати, для получения такой оболочки можно использовать не только чистый фуллерен, но и фуллереносодержащую сажу, что позволяет удешевить производство.

Работы по изучению поведения нанокомпозита из фуллерена и теллуридов сурьмы и висмута Даниил с командой начинал в рамках программы "УМНИК". Впоследствии команда поменялась и специалист начал прикладные исследования уже в рамках конкурса “Студенческий стартап”, который проводился Фондом содействия инновациям. В рамках конкурса эта разработка была признана одной из лучших. 

На разработанный нанокомпозит в данный момент оформляется патент на территории Евразийского союза.

Перспективы

Сейчас у научной группы есть точные данные только по нанокомпозиту, но не по конечному устройству. В узком диапазоне температур полученный материал вполне эффективен. Он не очень жаростойкий, поэтому его нельзя использовать для охлаждения того же автомобильного двигателя. Но он вполне применим в серверных системах охлаждения.

Сам лабораторный образец пока не собран — его реализация запланирована на следующий этап работ. Параметры конкретного устройства будут зависеть от количества термопар и их соединения между собой. Предположительно устройство будет состоять из 254 полупроводников (составляющих 127 термопар). Вес устройства будет около 20 грамм. Форма — пластина 60 на 60 мм толщиной около 5 мм. Как и нанокомпозит, устройство будет запатентовано.

Себестоимость одного модуля с учетом маркетинга и логистики оценивается на уровне 850 р., что гораздо ниже среднего кулера для процессора (3-4 тыс. рублей). А задействованные технологии производства достаточно распространены, поэтому после подготовки лабораторного образца и его тестирования, вполне можно запустить серию. Хорошей базой для этого могла бы быть дочерняя компания одного из крупнейших мировых производителей термоэлектриков и в частности элементов Пельтье — компания "Экоген Технолоджи", базирующаяся в нашем городе. При этом производство могло бы использовать только российские компоненты и материалы. 

Лабораторный образец должен появиться к концу 2023 года. Возможно, к этому времени будет готово и MVP для выхода на рынок. Сам Даниил открывает свое малое инновационное предприятие для дистрибуции и развития продукта. Это необходимое условие для участие в программе “Старт”, предоставляющей грант на производство и реализацию инновационных разработок.

Имея пока только предварительные данные по самим материалам, исследователи оценили возможную вырабатываемую мощность модуля. При охлаждении обычного “бытового” процессора она находится на уровне 0.72-0.96 квт-час в сутки. Если предполагать, что система охлаждения работает круглосуточно, для тарифа в 5,23 рубля за квт-ч в Санкт-Петербурге получаем экономию примерно в 1,8 тыс. рублей в год. Естественно, для использования этой электроэнергии потребуется дополнительное преобразование тока, но этот вопрос будет решаться позже — пока речь лишь о теоретических оценках.

Эта экономия не настолько велика, чтобы побудить менять существующий кулер. Но научная группа предполагает, что основной эффект будет от масштаба, поэтому в качестве целевого рынка рассматриваются именно серверные системы. На серверных процессорах можно получить большую разницу температуры, а значит и более высокую термо-ЭДС (а вместе с тем и более высокую экономию).

К слову, эта ниша на рынке сейчас как раз освободилась из-за ухода мировых производителей систем охлаждения — IBM, Intel, Dell и других. Активно развивается вторичный рынок и цены на нем существенно выросли. Разработка Даниила и команды легко сможет конкурировать с этими решениями, несмотря на то, что покупатели серверов не торопятся обновлять системы охлаждения, когда они работают вполне эффективно.

А что дальше

В этом направлении еще есть, куда двигаться. Например, можно применить другие слоистые наноструктуры для препятствия рекристаллизации нанозерен. Или отшлифовать нанокомпозит при нанесении на керамическую подложку. Также в теории систему можно сделать эффективнее, если дополнительно снижать температуру элементов с помощью других методов охлаждения — допустим, использовать активное охлаждение. Это гарантированно увеличит эффективность охлаждения, но пока не ясно, насколько сильно такая модификация отразится на термо-ЭДС.

Однако все эти нововведения повысят стоимость производства охладителя, поэтому пока идеи отложены. Если технология приживется в сегменте систем охлаждения, ее можно будет доработать одним из описанных путей.

Сам разработанный материал может применяться не только в системах охлаждения. Он достаточно термочувствителен, чтобы стать основой датчиков систем умного дома или термореле для других применений.