L'hydrogel apporte un soulagement du refroidissement à l'électronique

L'électronique devrait consommer plus d'un cinquième de la consommation mondiale d'électricité d'ici 2030. Une grande partie de cette énergie est gaspillée sous forme de chaleur, ce qui nécessite un refroidissement qui consomme également de l'énergie et souvent de grandes quantités d'eau.

Pour réduire cette consommation d'énergie et d'eau, les chercheurs ont maintenant montré que les hydrogels - utilisés dans les lentilles de contact, les pansements et les couches - pouvaient refroidir les appareils électroniques à haute puissance en utilisant l'humidité absorbée de l'air.

L'idée est simple : appliquer une couche d'hydrogel de 0,5 à 1 millimètre d'épaisseur sur un dissipateur thermique en aluminium. Utilisés couramment dans les ordinateurs portables et les processeurs, les dissipateurs thermiques sont des structures métalliques avec des ailettes et des arêtes pour augmenter leur surface pour un transfert de chaleur plus efficace. Le revêtement d'hydrogel absorbe l'humidité de l'air et gonfle lorsqu'un processeur ne tourne pas à plein régime. Aux heures de pointe, lorsque le processeur chauffe, l'eau s'évapore et refroidit l'électronique.

"Ce dispositif de refroidissement passif fonctionne de manière autonome sans intervention humaine, sans consommation d'énergie, avec un faible coût de maintenance et une conception de système simple", explique Renkun Chen, professeur d'ingénierie mécanique et aérospatiale à l'Université de Californie à San Diego. "La méthode est comme la peau humaine. Lorsque nous avons trop chaud, nous transpirons, et cela s'évapore et procure un refroidissement."

La surchauffe est un problème de performance et de sécurité pour l'électronique haute puissance, et la régulation des températures dans les ordinateurs devient de plus en plus compliquée à mesure que l'électronique rétrécit et que la puissance augmente. Ensuite, il y a la consommation d'énergie et d'eau. Les centres de données du monde utilisent à eux seuls plus de 200 milliards de kilowattheures d'énergie et près de 1,6 billion de tonnes d'eau par an.

Il existe différentes façons de refroidir l'électronique aujourd'hui. Dans les ordinateurs, les matériaux thermiques transfèrent la chaleur des puces de microprocesseur vers des dissipateurs thermiques refroidis par air à l'aide de ventilateurs. Le refroidissement liquide, dans lequel les siphons d'eau en circulation chauffent vers un radiateur, est également populaire pour les processeurs. Les centres de données, quant à eux, sont hébergés dans des espaces climatisés et dépendent également du refroidissement liquide. Tous ces systèmes de refroidissement actifs utilisent de l'énergie pour faire fonctionner les ventilateurs, les systèmes CVC et les pompes à eau.

Les chercheurs ont développé de nouvelles façons de refroidir l'électronique pendant des années. Le refroidissement par microcanaux, par exemple, réduit la consommation d'énergie du refroidissement liquide en plaçant de minuscules canaux de refroidissement liquide juste à côté ou même dans les puces informatiques.

Mais le concept que Chen et ses collègues ont récemment présenté dans la revue Cell Reports Physical Science est relativement simple et entièrement passif, ne nécessitant aucun apport d'énergie. Et cela pourrait être peu coûteux, étant donné que l'hydrogel à base d'acrylate de sodium qu'ils utilisent est bon marché, ne coûtant que 10 $ US le kilogramme. D'autres ont déjà démontré le refroidissement de batteries de véhicules électriques et de panneaux solaires avec des films d'hydrogel plats.

En haut à gauche se trouve un schéma de la configuration de test. Les images infrarouges sont celles d'un transistor à effet de champ (FET) sans dissipateur thermique [en haut à droite], avec un dissipateur thermique traditionnel [en bas à gauche] et avec hydrogel [en bas à droite]. Renkun Chen

À titre de démonstration, ils ont placé à la fois un dissipateur thermique ordinaire et un dissipateur revêtu d'hydrogel au-dessus d'un transistor à effet de champ pour le refroidir. Le dissipateur thermique a fait baisser la température de la puce de 8 °C, tandis que le dissipateur revêtu d'hydrogel l'a fait baisser de 20 °C.

Une fois l'eau de l'hydrogel épuisée, son effet de refroidissement par évaporation disparaît. Chen dit que l'équipe étudie maintenant des hydrogels capables d'absorber et de retenir plus d'eau. L'idée pourrait être combinée avec d'autres technologies de refroidissement actif comme les ventilateurs et le refroidissement liquide pour réduire la consommation d'énergie. Et son utilisation ne doit pas se limiter à l'électronique. "Nous envisageons également de l'utiliser pour des applications telles que le refroidissement de bâtiments ou même le refroidissement personnel."