El hidrogel brinda alivio de enfriamiento a la electrónica

Jul 01, 2023

Se prevé que la electrónica consumirá más de una quinta parte de la electricidad mundial para 2030. Gran parte de esa energía se desperdicia en forma de calor, lo que requiere refrigeración que también consume energía y, a menudo, grandes cantidades de agua.

Para reducir ese uso de energía y agua, los investigadores han demostrado ahora que los hidrogeles (utilizados en lentes de contacto, apósitos para heridas y pañales) podrían enfriar dispositivos electrónicos de alta potencia utilizando la humedad absorbida del aire.

La idea es simple: cubrir una capa de hidrogel de 0,5 a 1 milímetro de espesor sobre un disipador de calor de aluminio. Los disipadores de calor, utilizados comúnmente en computadoras portátiles y CPU, son estructuras metálicas con aletas y crestas para aumentar su superficie y lograr una transferencia de calor más eficiente. El recubrimiento de hidrogel absorbe la humedad del aire y se hincha cuando el procesador no está funcionando a toda velocidad. Durante las horas pico, cuando el procesador se calienta, el agua se evapora y enfría los componentes electrónicos.

"Este dispositivo de refrigeración pasiva funciona de forma autónoma sin intervención humana, sin consumo de energía, con un bajo coste de mantenimiento y un diseño de sistema sencillo", afirma Renkun Chen, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de California en San Diego. “El método es como la piel humana. Cuando nos sobrecalentamos, sudamos y eso se evapora y proporciona enfriamiento”.

El sobrecalentamiento es un problema de rendimiento y seguridad para los dispositivos electrónicos de alta potencia, y la regulación de las temperaturas en las computadoras se vuelve cada vez más complicada a medida que los componentes electrónicos se encogen y la energía aumenta. Luego está el uso de energía y agua. Sólo los centros de datos del mundo utilizan más de 200 mil millones de kilovatios-hora de energía y casi 1,6 billones de toneladas de agua al año.

En la actualidad, existen varias formas de enfriar los dispositivos electrónicos. En las computadoras, los materiales térmicos transfieren calor desde los chips del microprocesador a los disipadores de calor que se enfrían por aire mediante ventiladores. La refrigeración líquida, en la que el agua circulante transfiere el calor a un radiador, también es popular para las CPU. Mientras tanto, los centros de datos están ubicados en espacios con aire acondicionado y también dependen de refrigeración líquida. Todos estos sistemas de refrigeración activos utilizan energía para hacer funcionar ventiladores, sistemas HVAC y bombas de agua.

Los investigadores llevan años desarrollando nuevas formas de enfriar los dispositivos electrónicos. La refrigeración por microcanales, por ejemplo, reduce el uso de energía de la refrigeración líquida al colocar pequeños canales de refrigeración líquida justo al lado de los chips de computadora, o incluso dentro de ellos.

Pero el concepto que Chen y sus colegas presentaron recientemente en la revista Cell Reports Physical Science es relativamente sencillo y totalmente pasivo, y no necesita ningún aporte de energía. Y podría ser de bajo costo, considerando que el hidrogel a base de acrilato de sodio que utilizan es barato, ya que cuesta sólo 10 dólares el kilogramo. Otros ya han demostrado cómo enfriar baterías de vehículos eléctricos y paneles solares con películas planas de hidrogel.

En la parte superior izquierda hay un esquema de la configuración de prueba. Las imágenes infrarrojas son de un transistor de efecto de campo (FET) sin disipador de calor [arriba a la derecha], con un disipador de calor tradicional [abajo a la izquierda] y con hidrogel [abajo a la derecha]. Ren Kun Chen

Como demostración, colocaron un disipador de calor normal y un disipador recubierto de hidrogel encima de un transistor de efecto de campo para enfriarlo. El disipador de calor redujo la temperatura del chip en 8 °C, mientras que el disipador recubierto de hidrogel la redujo en 20 °C.

Una vez que se agota el agua del hidrogel, su efecto de enfriamiento por evaporación desaparece. Chen dice que el equipo ahora está buscando hidrogeles que puedan absorber y retener más agua. La idea podría combinarse con otras tecnologías de refrigeración activa, como ventiladores y refrigeración líquida, para reducir el uso de energía. Y su uso no tiene por qué limitarse a la electrónica. "También imaginamos usarlo para aplicaciones como refrigeración de edificios o incluso refrigeración personal".