Pendinginan Solid-State KIT-Tsukuba Manfaatkan Panas Limbah untuk Prosesor

Telset.id – Tim peneliti dari Karlsruhe Institute of Technology (KIT) dan University of Tsukuba berhasil mendemonstrasikan sistem pendingin solid-state yang memanfaatkan panas untuk menghasilkan kerja mekanis yang dibutuhkan dalam proses refrigerasi. Temuan ini berpotensi membuka jalan bagi prosesor dan pusat data untuk mendaur ulang sebagian panas limbahnya sendiri demi kebutuhan pendinginan.

Sistem yang dirinci dalam jurnal Nature Energy pada 28 Agustus ini menggantikan aktuator bertenaga listrik yang biasanya dibutuhkan untuk pendinginan elastocaloric dengan paduan logam memori bentuk yang responsif terhadap panas. Dengan demikian, siklus pendinginan dapat berjalan dari sumber panas eksternal alih-alih bergantung pada motor listrik. Inovasi ini menjadi sorotan utama dalam upaya mencari alternatif sistem refrigerasi yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

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

Dalam pengujian laboratorium, pemanasan Joule pada aktuator hingga suhu 86°C menghasilkan rentang suhu 12,9 K di seluruh film refrigeran—perbedaan antara kondisi terpanas dan terdingin selama siklus pendinginan—serta rentang 4,0 K di perangkat pendingin secara keseluruhan, diukur antara sisi panas dan dinginnya. Saat peneliti mengganti pemanasan resistif dengan sumber panas eksternal bersuhu 130°C, prototipe tetap mempertahankan rentang suhu 2,2 K di tingkat perangkat. Ini membuktikan bahwa sumber panas eksternal mampu menggerakkan mekanisme pendinginan.

Sistem refrigerasi dan pendingin udara konvensional umumnya 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 ruang yang didinginkan. Teknologi ini memang matang dan efisien, tetapi membutuhkan kompresor yang digerakkan listrik serta mengandalkan 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 pada elektronik kompak. Namun, para peneliti mencatat bahwa perangkat termoelektrik biasanya hanya mencapai 10% hingga 15% dari batas efisiensi Carnot-teoretis terbalik, atau sekitar seperempat dari efisiensi sistem kompresi uap modern.

Pendekatan berbeda ditawarkan oleh pendinginan elastocaloric. Paduan logam memori bentuk tertentu mengubah struktur kristalnya saat diberi beban mekanis dan dilepaskan. Penerapan tekanan memicu transisi fase yang melepaskan panas laten dan menghangatkan material. Setelah panas tersebut dibuang, pelepasan beban membalikkan transisi, menyebabkan material menyerap panas dan menjadi dingin. Paduan padat ini secara efektif berfungsi sebagai refrigeran.

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

Sebagai solusinya, tim KIT-Tsukuba membuat satu paduan logam memori bentuk menggerakkan paduan lainnya. Pemanasan film aktuator TiNi menyebabkannya kembali ke bentuk asli dan berkontraksi. Terhubung secara mekanis dengan film refrigeran TiNiFe, kontraksi tersebut memasok gaya yang diperlukan untuk siklus pendinginan. Saat aktuator memanas dan mendingin, ia membebani dan melepaskan refrigeran tanpa motor listrik.

Secara lebih rinci, sistem bekerja sebagai berikut: peneliti mengambil paduan logam memori bentuk (film refrigeran TiNiFe) yang mendingin saat dilepaskan setelah diregangkan. Alih-alih menggunakan sistem mekanis untuk meregangkan dan melepaskan paduan tersebut secara berulang, mereka menggunakan paduan logam 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 mengendur, 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 elastocaloric.

Aktuator termal ini menghasilkan rasio gaya-terhadap-perpindahan sebesar 14,5 N/mm, dibandingkan dengan 1,1 N/mm untuk aktuator elektromekanis komersial yang digunakan peneliti sebagai referensi. Film tipis juga menyediakan rasio luas 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 dengan panas eksternal ini adalah bukti konsep yang sesungguhnya. Meskipun teknologi ini masih merupakan eksperimen laboratorium tahap awal, versi yang diperbesar dan disempurnakan dapat memiliki implikasi yang 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—sebuah pengaturan yang sebenarnya sudah dapat dicapai di pusat data.

Oleh karena itu, teknologi ini berpotensi untuk mendinginkan prosesor menggunakan panas yang mereka hasilkan! Namun, penerapannya sebagai teknologi pendinginan pusat data masih jauh dari kondisi teknologi saat ini. Prototipe ini hanya menghasilkan 2,09 miliwatt daya pendinginan pada nol pengangkatan suhu. Jumlah itu jauh dari beban panas prosesor modern, apalagi akselerator AI atau rak pusat data.

Para peneliti juga menyebut aktuasi yang relatif lambat, laju regangan terbatas, dan geometri penukar panas saat ini sebagai faktor yang membatasi kinerja. Selain itu, perlu ada cara untuk membuat pemanasan menjadi siklik. Tim kini bekerja untuk menghubungkan beberapa film secara paralel guna 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 tersebut dapat diubah menjadi pendinginan yang berguna tanpa motor listrik yang menggerakkan siklus refrigerasi. Ini menjadi langkah awal yang menjanjikan bagi pengembangan teknologi pendinginan yang lebih berkelanjutan di masa depan, terutama untuk kebutuhan komputasi berkinerja tinggi yang menghasilkan banyak panas limbah.