Apl film tipis catur hampir ganda efisiensi pendinginan. Bahan yang dapat didiskreditkan dapat mengubah teknologi pendinginan dan pemanenan energi.
Para ilmuwan di Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, Maryland, telah menciptakan sistem pendingin termoelektrik solid-state baru yang mudah diproduksi dan dua kali lebih efisien daripada perangkat yang dibangun dengan bahan termoelektrik curah standar. Karena kebutuhan global teknologi kohesif yang kompak, andal, dan hemat energi terus meningkat, pengembangan ini memberikan alternatif yang menjanjikan untuk pendinginan kompresor konvensional.
Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Komunikasi alamiPara peneliti dari APL, bekerja dengan insinyur pendingin di Samsung Research, menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam efisiensi pompa panas dan kapasitas pendinginan. Keuntungan ini dimungkinkan melalui bahan termoelektrik yang direkayasa oleh pekerjaan nano berpasangan tinggi yang dikembangkan di APL, yang dikenal sebagai struktur superlattice (catur) yang dikontrol secara hierarkis yang direkayasa secara hierarkis.
Platform catur mewakili puncak dekade penelitian APL pada termoelektrik yang direkayasa oleh Nano dan aplikasinya. Awalnya dirancang untuk tujuan keamanan nasional, materi ini diadaptasi untuk penggunaan lain, termasuk terapi pendinginan non -invasif untuk prosthetics, dan diakui oleh penghargaan R&D 100 pada tahun 2023.
“Demonstrasi pendinginan dunia nyata ini menggunakan bahan termoelektrik baru yang menunjukkan kemampuan film Catur yang direkayasa nano,” kata Rama Venatasubramanian, penyelidik proyek bersama dan kepala teknologi untuk termoelektrik di APL. “Ini menandai lompatan yang signifikan dalam teknologi pendingin dan menetapkan tahap untuk menerjemahkan kemajuan dalam bahan termoelektrik ke dalam aplikasi pendinginan praktis, skala besar, dan hemat energi.”
Tolok ukur baru untuk pendinginan solid-state
Permintaan untuk teknologi pendinginan yang lebih kecil dan lebih efisien didorong oleh pertumbuhan populasi, ekspansi perkotaan, dan peningkatan ketergantungan pada elektronik canggih dan sistem data skala besar. Meskipun metode pendinginan tradisional efektif, mereka cenderung besar, mengkonsumsi energi yang signifikan, dan mengandalkan refrigeran kimia yang dapat merusak lingkungan.
Pendinginan Thermoelektrik menawarkan alternatif yang menjanjikan. Pendekatan ini mentransfer panas menggunakan elektron dalam bahan semikonduktor khusus, menghilangkan kebutuhan untuk memindahkan atau pendingin kimia. Akibatnya, sistem ini dapat dibuat kompak, tenang, dapat diandalkan, dan berkelanjutan. Sementara bahan termoelektrik curah telah digunakan dalam produk kecil seperti mini-refrigerator, efisiensi rendah, kapasitas perpindahan panas yang terbatas, dan kompatibilitas yang buruk dengan manufaktur chip semikonduktor memiliki batasan adopsi mereka dalam aplikasi berkinerja tinggi yang lebih besar.
Dalam penelitian ini, para peneliti membandingkan modul pendingin menggunakan bahan termoelektrik curah tradisional dengan yang menggunakan bahan film catur tipis dalam uji pendingin standar, mengukur dan membandingkan daya listrik yang diperlukan untuk mencapai berbagai tingkat pendinginan dalam sistem uji kulkas komersial yang sama. Tim solusi Samsung Research Life, yang dipimpin oleh Wakil Presiden Eksekutif Joonhyun Lee, berkolaborasi dengan APL untuk memvalidasi hasil melalui pemodelan termal terperinci, mengukur beban panas dan parameter resistansi termal untuk memastikan evaluasi kinerja yang akurat dalam kondisi dunia nyata.
Hasilnya mencolok: Menggunakan catur, tim APL mencapai hampir 100% peningkatan efisiensi dibandingkan dengan bahan termoelektrik tradisional pada suhu kamar (sekitar 80 derajat Fahrenheitatau 25 c). Mereka kemudian menerjemahkan manfaat dari tingkat material ini ke peningkatan efisiensi mendekati 75% pada tingkat perangkat dalam modul termoelektrik yang dibangun dengan catur dan peningkatan efisiensi 70% dalam sistem pendingin terintegrasi penuh, masing -masing mewakili peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan perangkat termoelektrik curah yang canggih. Tes ini diselesaikan dalam kondisi yang melibatkan sejumlah besar pemompaan panas untuk mereplikasi operasi praktis.
Dibangun untuk skala
Di luar peningkatan efisiensi, teknologi film tipis catur menggunakan bahan yang jauh lebih sedikit 0,003 sentimeter kubik, atau ukuran butiran pasir, per unit pendingin. Pengurangan bahan ini berarti bahwa bahan termoelektrik APL dapat diproduksi secara massal menggunakan peralatan produksi chip semikonduktor, efisiensi biaya mengemudi dan memungkinkan adopsi pasar yang meluas.
“Teknologi film tipis ini memiliki potensi untuk tumbuh dari menyalakan sistem pendingin skala kecil untuk mendukung penerapan HVAC bangunan besar, mirip dengan cara baterai lithium-ion telah dibuang ke perangkat listrik sekecil ponsel dan ukuran kendaraan listrik,” kata Venkatasubrtaramanian.
Selain itu, bahan catur dibuat menggunakan proses yang ditetapkan yang biasa digunakan untuk menghasilkan sel surya efisiensi tinggi yang menyalakan satelit dan lampu LED komersial.
“Kami menggunakan deposisi logam uap kimia (MOCVD) untuk menghasilkan bahan catur, metode skalabilitas yang terkenal, efektivitas biaya, dan kemampuan untuk mendukung manufaktur volume besar,” kata Jon Pierce, seorang insinyur peneliti senior yang memimpin kemampuan pertumbuhan MOCVD di APL. “MOCVD telah banyak digunakan secara komersial, sehingga ideal untuk meningkatkan produksi bahan termoelektrik dari film catur tipis.”
Aplikasi di masa depan dan pemanenan energi
Bahan dan perangkat ini terus menunjukkan janji untuk berbagai aplikasi pemanenan energi dan elektronik, di samping kemajuan terbaru dalam pendinginan. APL berencana untuk terus bermitra dengan organisasi untuk meningkatkan bahan termoelektrik catur dengan fokus pada peningkatan efisiensi untuk mendekati sistem mekanik konvensional. Upaya di masa depan termasuk menunjukkan sistem pendingin skala yang lebih besar, termasuk freezer, dan metode mengintegrasikan yang didorong oleh kecerdasan buatan untuk mengoptimalkan efisiensi energi dalam pendinginan atau didistribusikan ke peralatan pendinginan dan HVAC.
“Di luar pendinginan, catur juga dapat mengkonversi perbedaan suhu, seperti panas tubuh, menjadi kekuatan yang dapat digunakan,” kata Jeff Marchi, seorang manajer area dari program eksplorasi di bidang misi penelitian dan area pengembangan eksplorasi. “Selain memajukan sistem Tacty Generation, prosthetics dan antarmuka manusia-mesin, ini membuka pintu bagi teknologi pemanenan energi yang dapat dikeluarkan untuk aplikasi mulai dari komputer hingga pesawat ruang angkasa yang tidak layak dengan perangkat termoelektrik yang lebih tua.”
“Keberhasilan upaya kolaboratif ini menunjukkan bahwa pendinginan solid-state efisiensi tinggi tidak hanya tepat secara ilmiah tetapi juga diproduksi dalam skala,” kata Susan Ehrlich, seorang manajer komersialisasi teknologi APL. “Kami menunggu peluang untuk penelitian berkelanjutan dan transfer teknologi dengan perusahaan ketika kami mencoba menerjemahkan inovasi ini ke dalam aplikasi praktis dunia nyata.”
Referensi: “Bahan Termoelektrik Film Tipis Terlibat Nano Memungkinkan Pendinginan Solid-State Praktis” oleh Jake Ballard, Matthew Hubbard, Sung-Jin Jung, Vanessa Rajas, Richard Ung, Junwoo Suh, Minsoo Kim, 212 Maionhyun, Jonathan M. Pierce dan Rama. Komunikasi alami.
Doi: 10.1038/s41467-025-59698-y
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan Buletin ScitechDaily.
NewsRoom.id
