Pendinginan Solid-State KIT-Tsukuba: Panas Limbah Prosesor Jadi Sumber Daya Pendingin

Telset.id – Sebuah tim ilmuwan di Jerman dan Jepang telah mendemonstrasikan sistem pendingin solid-state yang memanfaatkan panas untuk menghasilkan kerja mekanis yang dibutuhkan dalam proses refrigerasi. Inovasi ini berpotensi membuka jalan bagi prosesor dan pusat data untuk mendaur ulang sebagian panas limbah mereka sendiri demi kebutuhan pendinginan.

Dikembangkan oleh peneliti dari Karlsruhe Institute of Technology (KIT) dan University of Tsukuba, sistem yang dirinci dalam jurnal Nature Energy pada 28 Agustus ini menggantikan aktuator bertenaga listrik yang biasanya dibutuhkan untuk pendinginan elastokalorik dengan paduan memori bentuk yang responsif terhadap panas. Dengan demikian, siklus pendinginan dapat berjalan dari sumber panas eksternal, bukan dari motor listrik.

Prototipe ini menggabungkan dua film logam ultra-tipis yang berfungsi sebagai aktuator dan refrigeran. Film paduan titanium-nikel (TiNi) setebal 22 mikrometer berkontraksi saat dipanaskan, mengubah energi termal menjadi gerakan mekanis. Gerakan ini meregangkan dan melepaskan film refrigeran titanium-nikel-besi (TiNiFe) setebal 26,5 mikrometer, memicu transisi fase reversibel yang menghasilkan efek pendinginan.

Dalam uji laboratorium, pemanasan Joule pada aktuator hingga suhu 86°C menghasilkan rentang suhu 12,9 K pada film refrigeran—selisih antara kondisi terpanas dan terdinginnya selama siklus pendinginan—serta rentang 4,0 K pada perangkat pendingin secara keseluruhan, diukur antara sisi panas dan dinginnya. Ketika peneliti mengganti pemanasan resistif dengan sumber panas eksternal bersuhu 130°C, prototipe masih mempertahankan rentang suhu 2,2 K pada tingkat perangkat, membuktikan bahwa sumber termal eksternal dapat menggerakkan mekanisme pendinginan.

Keterbatasan Sistem Pendinginan Konvensional

Sistem refrigerasi dan pendingin udara konvensional sebagian besar menggunakan pendinginan kompresi uap. Kompresor menaikkan tekanan dan suhu refrigeran, yang kemudian membuang panas di kondensor sebelum berekspansi dan menguap pada tekanan rendah untuk menyerap panas dari ruangan yang didinginkan. Teknologi ini sudah matang dan efisien, tetapi membutuhkan kompresor yang digerakkan listrik serta bergantung pada refrigeran dengan potensi pemanasan global yang signifikan.

Pendinginan solid-state memindahkan panas tanpa loop kompresor-dan-refrigeran konvensional. Pendingin termoelektrik, misalnya, menggunakan arus listrik untuk menciptakan perbedaan suhu di seluruh material semikonduktor dan sudah umum digunakan di elektronik kompak. Namun, para peneliti mencatat bahwa perangkat termoelektrik biasanya hanya mencapai 10% hingga 15% dari batas efisiensi reversed-Carnot teoretis, sekitar seperempat dari sistem kompresi uap modern.

Pendinginan elastokalorik mengambil rute berbeda. Paduan memori bentuk tertentu mengubah struktur kristalnya saat dibebani dan dilepaskan secara mekanis. Penerapan tegangan menginduksi transisi fase yang melepaskan panas laten dan menghangatkan material. Setelah panas tersebut dibuang, melepaskan beban membalikkan transisi, menyebabkan material menyerap panas dan mendingin. Paduan padat tersebut secara efektif menjadi refrigeran.

Masalahnya, material tetap harus diregangkan dan dilepaskan berulang kali. Sistem elastokalorik yang ada umumnya menggunakan motor, sistem hidrolik, atau aktuator elektromekanis untuk memberikan gaya yang dibutuhkan, menambah konsumsi listrik, volume, dan kompleksitas mekanis—terutama merepotkan untuk pendingin miniatur.

Sebagai gantinya, tim KIT-Tsukuba membuat satu paduan memori bentuk menggerakkan paduan lainnya. Memanaskan film aktuator TiNi menyebabkannya memulihkan bentuk aslinya dan berkontraksi. Terhubung secara mekanis ke film refrigeran TiNiFe, kontraksi tersebut memasok gaya yang dibutuhkan untuk siklus pendinginan. Saat aktuator memanas dan mendingin, ia membebani dan melepaskan refrigeran tanpa motor listrik.

Dipecah lebih lanjut, sistem bekerja sebagai berikut: para peneliti mengambil paduan memori bentuk (film refrigeran TiNiFe) yang mendingin saat dilepaskan setelah diregangkan. Alih-alih menggunakan sistem mekanis untuk meregangkan dan melepaskan paduan tersebut berulang kali, mereka menggunakan paduan memori bentuk lain (TiNi) yang berkontraksi saat dipanaskan dan menggabungkannya secara mekanis dengan mitra pendinginnya. Saat TiNi dipanaskan, ia berkontraksi, meregangkan dan “membebani” film refrigeran. Setelah panas dihilangkan, TiNi rileks, melepaskan film dan memicu transisi fase yang menyebabkannya mendingin. Di bawah pemanasan siklik, paduan TiNi memberikan gerakan peregangan dan pelepasan berulang yang dibutuhkan TiNiFe untuk pendinginan elastokalorik.

Aktuator termal menghasilkan rasio gaya-terhadap-perpindahan 14,5 N/mm, dibandingkan dengan 1,1 N/mm untuk aktuator elektromekanis komersial yang digunakan peneliti sebagai referensi. Film tipis juga menyediakan rasio permukaan-terhadap-volume yang tinggi untuk perpindahan panas yang cepat. Di bawah aktuasi yang dipanaskan Joule, perangkat terintegrasi mencapai rentang suhu stabil 4,0 K setelah 20 siklus dan daya pendinginan spesifik 4,43 W/g. Ketika digerakkan dari sumber panas eksternal, angka-angka tersebut turun menjadi 2,2 K dan 3,32 W/g.

Hasil panas eksternal ini adalah bukti konsep yang sesungguhnya. Meskipun teknologi ini masih merupakan eksperimen laboratorium tahap awal, versi berskala dan sempurna dapat memiliki implikasi menarik. Biasanya, panas yang dibutuhkan sistem untuk beroperasi dihasilkan dari listrik atau bentuk energi lain. Namun, skenario ideal adalah memanfaatkan kembali panas limbah yang ada—pengaturan yang sudah dapat dicapai di pusat data. Oleh karena itu, teknologi ini berpotensi mendinginkan prosesor menggunakan panas yang mereka hasilkan!

Namun, penerapannya sebagai teknologi pendingin pusat data masih jauh dari kondisi teknologi saat ini. Prototipe hanya menghasilkan 2,09 miliwatt daya pendinginan pada nol pengangkatan suhu. Itu jauh dari beban panas prosesor modern, apalagi akselerator AI atau rak pusat data. Para peneliti juga menyebut aktuasi yang relatif lambat, tingkat regangan terbatas, dan geometri penukar panas saat ini di antara faktor-faktor yang membatasi kinerja.

Perlu juga ada cara untuk membuat pemanasan menjadi siklik. Tim sekarang bekerja untuk menghubungkan beberapa film secara paralel untuk meningkatkan kapasitas pendinginan. Kemajuan lebih lanjut akan membutuhkan penskalaan material aktif, peningkatan perpindahan panas dan frekuensi operasi, serta pembuktian daya tahan jangka panjang.

Untuk saat ini, para peneliti telah mendemonstrasikan rantai energi yang mendasarinya di mana panas dapat diubah menjadi gerakan mekanis, dan gerakan itu dapat diubah menjadi pendinginan yang berguna tanpa motor listrik yang menggerakkan siklus refrigerasi. Inovasi ini menandai langkah penting dalam pengembangan teknologi solid-state, meskipun masih membutuhkan penelitian lebih lanjut sebelum dapat diterapkan secara komersial.

Konsep ini sejalan dengan upaya industri yang lebih luas dalam mengembangkan material solid-state untuk berbagai aplikasi. Namun, perlu dicatat bahwa teknologi pendinginan ini berbeda dari riset AI yang sedang berkembang; fokusnya adalah pada efisiensi energi untuk perangkat keras komputasi.

Implikasi jangka panjang dari penelitian ini, jika berhasil diskalakan, adalah kemampuan pusat data untuk mengurangi konsumsi listrik untuk pendinginan dengan memanfaatkan panas yang sudah mereka hasilkan. Ini bisa menjadi langkah signifikan menuju pusat data yang lebih efisien energi, meskipun perjalanan dari prototipe laboratorium ke aplikasi industri masih panjang.