Любой хороший шеф-повар знает, что механическое напряжение способствует передаче термодинамической энергии в замкнутой системе. Повара используют это знание каждый раз, когда прижимают ингредиенты будущего фирменного блюда к сковороде или грилю, значительно увеличивая эффективность передачи тепла от металла к пищевым продуктам. Обычно мы оцениваем подобное взаимодействие исключительно с одного ракурса, наблюдая, как механическое напряжение используется для повышения эффективности передачи тепловой энергии от сковороды ингредиенту.

Но если мы скажем, что в данном случае пища используется для отвода тепла от сковороды (и, нажимая на нее, мы помогаем органическому веществу “охлаждать” поверхность металла), никакой ошибки также не будет. Исследователи из Лаборатории физики ядерных реакторов при Массачусетском технологическом институте (MIT) решили использовать эту концепцию – дополнив ее сильным магнитным полем и металлическими наночастицами – чтобы сделать системы жидкостного охлаждения для АЭС во много раз эффективнее. Исследователи также отмечают, что эта технология может быть адаптирована для оптимизации температурного режима серверов, ПК, рабочих станций и другой электроники.

Их идея является довольно простой: если заполнить циркулирующий по контуру СЖО хладагент магнитными наночастицами, и определенным образом воздействовать на полученную суспензию с помощью магнитного поля, наночастицы могут ускорить перемещение жидкости и повысить эффективность теплообмена, помогая сделать систему жидкостного охлаждения более эффективной. Но ядерными реакторами и вычислительной техникой можно не ограничиваться: эта концепция может масштабироваться до практически любого размера. Тем не менее, при росте масштабов охлаждаемых объектов создание соответствующего магнитного поля будет становиться все более дорогим удовольствием.

Образец магнетита (этот материал будет использоваться для изготовления магнитных наночастиц)

Наночастицы будут изготавливаться из магнетита (магнитный железняк), который является одним из наиболее мощных естественных магнитных материалов. Магнетитовые наночастицы будут с помощью магнитного поля перемещаться как можно ближе к нагревающейся поверхности теплообменника. Это фактически приведет к «утолщению» теплообменников и трубок, по которым циркулирует хладагент, в определенных местах, а также будет способствовать повышению эффективности системы охлаждения за счет увеличения суммарного импульса частиц в жидкости, что позволит им лучше передавать энергию при столкновениях.

Это не то же самое, что прижимать мясо к сковороде, но скопления наночастиц могут нарушить непрерывность потока хладагента, увеличивая локальный температурный градиент и заставляя охлаждающую жидкость вбирать в себя больше тепловой энергии. По сути все сводится к увеличению числа столкновений между молекулами, что помогает удерживать охлаждающую жидкость в тесном контакте с нагретыми теплообменниками.

При проектировании и строительстве АЭС специалисты, как правило, стремятся использовать “пассивные” системы охлаждения, которые работают даже при отсутствии электроснабжения. Поэтому новая технология – предполагающая использование магнитного поля, поддерживаемого поступающей извне энергией, – может оказаться невостребованной в ядерной энергетике, даже если она действительно окажется более эффективной, чем современные аналоги. С внедрением этой системы в сегменте ЦОД также не все гладко. Не будем забывать, что при создании дата-центров необходимо избегать близкого размещения мощных источников электрических и магнитных полей. С другой стороны, оптимизация технологии может сделать ее применение для оптимизации температурного режима серверного оборудования вполне возможным.

Экспериментальная установка

Одним из ограничений технологии при использовании для охлаждения относительно крупных систем является то, что механическое напряжение можно повысить лишь в небольших областях. То есть речь идет об избирательном / точечном повышении коэффициента полезного действия СЖО путем концентрации наночастиц в определенных областях внутренней поверхности теплообменника, которые контактируют с наиболее горячими участками охлаждаемого объекта.

Ядерные реакторы и компьютеры обладают подобными “горячими точками”, которые соседствуют с относительно холодными компонентами, что делает использование вышеописанной технологии вполне рациональным, но лучше всего подходят для реализации этой идеи системы-на-чипе (System-on-a-chip; SoC), которые все более активно применяются для создания маломощных микросерверов. Объясняется это тем, что наночастицы позволяют системе охлаждения системы-на-чипе наилучшим образом использовать короткие периоды контакта между теплоносителем и точечными источниками тепла на поверхности кремниевого кристалла.

Многие серверы уже сейчас комплектуются жидкостными системами охлаждения, которые, несмотря не необходимость высоких капитальных расходов на начальном этапе, позволяют операторам ЦОД довольно быстро вернуть инвестиции и даже экономить на эксплуатационных расходах благодаря улучшению холодопроизводительности и энергоэффективности. Если инженерам из Массачусетского технологического института удастся сделать свою технологию достаточно дешевой и интегрировать ее в продукты крупных производителей СЖО (разместив электромагниты на ключевых участках контура и добавив в хладагент свои наночастицы), мы можем стать свидетелями дальнейшего повышения энергоэффективности дата-центров по всему миру.