L'hydrogel apporte un soulagement au refroidissement de l'électronique

Jul 14, 2023

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, nécessitant 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 de haute puissance en utilisant l'humidité absorbée par 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. Couramment utilisés dans les ordinateurs portables et les processeurs, les dissipateurs de chaleur sont des structures métalliques dotées d'ailettes et de crêtes pour augmenter leur surface pour un transfert de chaleur plus efficace. Le revêtement hydrogel absorbe l'humidité de l'air et gonfle lorsqu'un processeur ne fonctionne 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 de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Californie à San Diego. « La méthode est comme la peau humaine. Lorsque nous avons trop chaud, nous transpirons, ce qui s’évapore et nous rafraîchit.

La surchauffe est un problème de performances et de sécurité pour les appareils électroniques haute puissance, et la régulation des températures dans les ordinateurs devient de plus en plus compliquée à mesure que les composants électroniques rétrécissent et que la puissance augmente. Ensuite, il y a la consommation d’énergie et d’eau. Les centres de données du monde consomment 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 aujourd’hui différentes manières de refroidir les appareils électroniques. Dans les ordinateurs, les matériaux thermiques transfèrent la chaleur des puces du microprocesseur vers les dissipateurs thermiques refroidis par air à l'aide de ventilateurs. Le refroidissement liquide, dans lequel l'eau en circulation siphonne la chaleur vers un radiateur, est également populaire pour les processeurs. Les centres de données, quant à eux, sont hébergés dans des espaces climatisés et reposent également sur le 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 développent depuis des années de nouvelles façons de refroidir les appareils électroniques. 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, voire 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 dollars le kilogramme. D’autres ont déjà démontré le refroidissement des batteries de véhicules électriques et des panneaux solaires avec des films d’hydrogel plats.

En haut à gauche se trouve un schéma de la configuration de test. Les images infrarouges représentent 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 un dissipateur thermique ordinaire et un dissipateur recouvert d'hydrogel sur 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 recouvert d'hydrogel l'a fait baisser de 20 °C.

Une fois l’eau contenue dans l’hydrogel épuisée, son effet de refroidissement par évaporation disparaît. Chen dit que l’équipe étudie actuellement des hydrogels capables d’absorber et de retenir plus d’eau. L’idée pourrait être combinée avec d’autres technologies de refroidissement actif telles que 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 des bâtiments ou même le refroidissement personnel."