Fyzici řeší základní problém moderní elektroniky - Andelarium | Zahradnictví a pěstování s láskou k přírodě

Odborníci na univerzitě v Houstonu přišli s novými výzkumy, které mohou zásadně změnit řízení tepla ve moderní technologii. V současné elektronice představuje teplo značný problém. Jak se výkon čipů, baterií a výkonové elektroniky zvyšuje, zhoršuje se i schopnost kontrolovat vzniklé teplo. Dosud byla znamením fyzikální realita, že tepelné vyzařování se šíří náhodně ve všech směrech, bez možnosti směrování či zastavení. Na tento problém se zaměřuje nový výzkum, který provedlo výzkumné oddělení prow University of Houston.

Ovládání tepla jako elektrického proudu

Tým vedený inženýrem Boem Zhaem prokázal, že tepelné vyzařování může být řízeno stejným způsobem jako elektrický proud. Klíčovým objevem tohoto výzkumu je myšlenka, že teplo by mělo proudit pouze v jednom směru, zatímco retrografní teplo by mělo být blokováno. Výsledky byly zveřejněny v časopise Physical Review Research.

Podobnost s diodami

V elektronice mají diody jasně definovanou funkci: umožňují průchod proudu pouze jedním směrem. Dosud však pro teplo neexistoval obdobný komponent. Tento nedostatek nyní změní nová metoda, kterou výzkumníci nazvali termická usměrnění. Teplo se bude posouvat jedním směrem a retrografní teplo bude zcela zablokováno.

„Tato technologie bude velmi užitečná pro řízení tepla a konstrukci logického systému pro směřování tepelného vyzařování,“ říká Zhao. „Například by to umožnilo udržet teplotu baterie mobilního telefonu na příjemné úrovni, aniž by došlo k přehřívání, zvláště když je používán v extrémně horkém prostředí.“

Proč je retrografní teplo vážným problémem

V dnešních zařízeních může teplo nejen uniknout, ale také se vrátit do citlivých komponentů. To snižuje efektivitu, zkracuje životnost a omezuje výkon. Zvláště kritické je to u vysoce výkonných mikročipů, baterií a výkonové elektroniky v elektrických vozidlech. Dosavadní chladicí metody, jako jsou chladiče, ventilátory nebo kapaliny, narážejí na své limity, zejména tam, kde není možná konvekce – například ve vakuovém prostoru vesmíru.

Teplotní cyklus jako nové principy

Kromě čistého usměrnění vyvíjejí vědci další koncept: termální cirkulator. Tento systém umožňuje pohyb tepelného vyzařování v uzavřeném okruhu, něco jako kruhový objezd. „V podstatě existuje horká strana, studená strana a něco mezi nimi,“ vysvětluje Zhao. „Když si představíte trojúhelník, chcete, aby teplo teklo proti směru hodinových ručiček z jedné plochy na druhou a poté z druhé plochy na třetí – nestačí, aby proudilo zpět na první plochu.“ Vzniká tak teplotní cyklus, který by mohl nasměrovat teplo z citlivých komponentů, aniž by se vrátilo zpět.

Most k běžné elektronice

Tento přístup se nevztahuje pouze na tepelné vyzařování. V podpůrné studii publikované v časopise Physical Review B ukazuje tým, že podobné efekty by mohly být realizovány i pro tepelné vedení v pevných látkách. Tímto se technologie přibližuje klasické elektronice.

Dosud existovaly tyto koncepty převážně na papíře. Zhao plánuje experimentální platformy, které demonstrují tyto efekty v praxi. Podaří-li se to, mohou se otevřít nové cesty pro řízení tepla čipů a baterií.

Důležitost pro kosmonautiku a umělou inteligenci

Zhao vidí mimořádný potenciál v oblasti kosmonautiky. Satelity jsou trvale vystaveny slunečnímu záření a mají velké potíže s odstraňováním své interní teploty. Technologie, která dokáže cíleně vyzařovat teplo ven a blokovat externí teplo, by mohla výrazně zvýšit spolehlivost. Také hardware pro AI čelí aktuálně zásadnímu problému s odvodem tepla. Ve vesmíru se situace zhoršuje, protože vzduch jako chladicí médium chybí. Cílené tepelné vyzařování by mohlo vést ke vzniku nových konceptů. „Toto je velmi inovativní technologie. Nikdo to předtím nedokázal, takže jsme z toho velmi nadšení,“ uzavírá Zhao.