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

Odstranění zpětného tepla: Nový výzkum umožňuje řízený tok tepla a mohl by změnit správu tepla v moderních technologiích.

Teplo se stalo tichým nepřítelem moderní elektroniky. Jakmile se zvyšuje výkonnost čipů, baterií a výkonové elektroniky, narůstá také problém efektivního odvádění vznikajícího tepla. Dříve platilo, že radiační teplo proudí ve všech směrech, což je velmi obtížné směrovat a téměř nemožné zastavit. Na tento problém se zaměřil nový výzkum Univerzity v Houstonu.

Tým inženýra Bo Zhaoa prokázal, že radiační teplo je možné řídit srovnatelně přesně jako elektrický proud. Centrální myšlenkou je to, že teplo může vytékat pouze jedním směrem, zatímco zpětné teplo je blokováno. Výsledky byly zveřejněny v časopise Physical Review Research.

Směr tepla jako u elektrického proudu

Dioda má v elektronice jasný úkol: propouští proud pouze jedním směrem. Doposud však neexistovala podobná součástka pro teplo. To se nyní mění. Vědci mluví o tepelné usměrnění, kdy je radiační teplo cíleně podporováno a zcela blokováno jeho zpětný tok.

„To bude velmi užitečná technologie pro správu tepla a pro budování logického systému pro tok radiačního tepla,“ uvedl Zhao. „Mohli bychom například udržovat baterii mobilního telefonu na příjemné teplotě, aniž by došlo k přehřátí, zejména při používání v horkém prostředí.“

Proč je zpětné teplo skutečným problémem

V dnešních zařízení může teplo nejen uniknout, ale také se vracet zpět do citlivých komponentů. To snižuje efektivitu, zkracuje životnost a omezuje výkon. Tato situace je obzvlášť kritická u vysoce výkonných mikrochipů, baterií nebo výkonové elektroniky v elektrických vozidlech.

Dosavadní chladicí řešení využívala chladiče, ventilátory nebo kapaliny. Tato řešení však čelí omezením, zejména tam, kde není možná konvekce, například ve vakuu vesmíru.

Tepelný cyklus jako nové zásady

Kromě samotného usměrnění vyvíjejí vědci také další koncept: tzv. tepelný cirkulátor. Radiační teplo se v něm pohybuje ve stabilním cyklu – podobně jako okružní křižovatka.

„V podstatě existuje horká strana, studená strana a něco mezi tím,“ vysvětlil Zhao. „Pokud si představíte trojúhelník, chcete, aby teplo plynulo proti směru hodinových ručiček způsobem: od povrchu jedna k povrchu dva a od povrchu dva k povrchu tři – nemělo by se vracet od dva k jeden. Tímto způsobem vzniká tepelný cyklus.“ Takové systémy by mohly v budoucnu cíleně odvádět teplo od citlivých komponentů, aniž by se vracelo.

Most k elektronice v běžném použití

Tento přístup se však neomezuje jen na radiační teplo. V doprovodné studii v časopise Physical Review B ukazuje tým, že podobné efekty jsou také možné pro tepelné vedení ve pevné látce. Tím se technologie přiblíží tradiční elektronice.

Dosud existovaly tyto koncepty převážně jen na papíře, Zhao však plánuje experimentální platformy, aby efekty prakticky demonstroval. Pokud se mu to podaří, mohly by se otevřít nové možnosti pro správu tepla čipů a baterií.

Důležitost pro vesmír a umělou inteligenci

Zhao vidí obzvlášť velký potenciál ve vesmíru. Satelity jsou neustále vystaveny slunečnímu záření a jejich interní teplo se velmi obtížně odvádí. Technologie, která umožňuje řízené uvolňování tepla a blokování vnějšího horka, by mohla značně zvýšit spolehlivost.

Problematika se týká i hardwaru umělé inteligence. Datová centra v současnosti čelí velkým problémům s teplem, přičemž ve vesmíru se problém zhoršuje, protože vzduch jako chladicí médium chybí. Řízené radiační teplo by v této oblasti mohlo otevřít nové koncepty. „Toto je velmi inovativní technologie. Nikdo to dosud nedokázal, proto jsme z toho velmi nadšení,” dodal Zhao.