Abwärme treibt die Kühlung direkt an
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie und der University of Tsukuba haben ein stromloses Verfahren zur Kühlung von Prozessoren vorgestellt. Die in Nature Energy veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass sich Abwärme direkt als Antrieb für eine kompakte Festkörper-Kühlung verwenden lässt.
Das System benötigt weder externe elektrische Energie noch Kältemittel oder Kühlwasser. Damit adressiert es drei wesentliche Kostentreiber klassischer Kühlsysteme. Bis zu einem Einsatz in Servern oder Rechenzentren ist allerdings noch erhebliche Entwicklungsarbeit nötig.
So funktioniert die elastokalorische Kühlung
Die Technik basiert auf dem elastokalorischen Effekt. Dabei verändern Formgedächtnislegierungen ihre Temperatur, wenn sie mechanisch be- und entlastet werden und dadurch einen Phasenübergang durchlaufen.
Das Forschungsteam verwendet zwei ultradünne Folien aus Nickel-Titan. Die erste Folie zieht sich bei Wärmezufuhr zusammen und wandelt die Wärme in mechanische Bewegung um. Sie übernimmt damit die Funktion eines Aktors, ohne dafür Strom zu benötigen.
Diese Bewegung belastet und entlastet die zweite Folie. Deren Phasenübergang erzeugt den eigentlichen Kühleffekt. Die Wärmequelle, etwa ein Prozessor, liefert somit gleichzeitig die Energie für den Kühlmechanismus.
„Der entscheidende Moment war die erste messbare Kühlung, die tatsächlich von einem wärmebetriebenen System erzeugt wurde. Damit war klar, dass das Prinzip nicht nur auf dem Papier funktioniert“, erklärte Hauptautor Yi-Ting Hsiau sinngemäß.
Die Messwerte des Laboraufbaus
Der Prototyp erreichte unter verschiedenen Bedingungen messbare Temperaturspannen. Die Werte zeigen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit, reichen aber noch nicht aus, um die Eignung für moderne Hochleistungschips zu beurteilen.
| Versuchsbedingung | Gemessene Temperaturspanne |
|---|---|
| Kältemittelfolie bei Joule-Erwärmung auf 86 °C | 12,9 K |
| Gesamtes Gerät bei Joule-Erwärmung auf 86 °C | 4,0 K |
| Gesamtes Gerät mit externer Wärmequelle bei 130 °C | 2,2 K |
Offen bleibt, ob Temperaturspannen von 2,2 bis 4,0 K auf Geräteebene für Chips mit hoher thermischer Verlustleistung ausreichen. Auch zur Lebensdauer und Materialermüdung der Nickel-Titan-Folien im Dauerbetrieb liegen bislang keine belastbaren Angaben vor.
Als nächster Schritt sind größere Testeinheiten geplant. Damit soll die Kühlleistung optimiert und untersucht werden, wie sich das Prinzip skalieren lässt.
„Wir betrachten dies erst als Anfang. Durch die Skalierung sollen kompakte Kühlsysteme entstehen, die vorhandene Wärmequellen für nachhaltige Kühlung nutzen“, sagte Jingyuan Xu, Leiter des ZEco Thermal Lab am KIT, sinngemäß.
Alternative zu strombetriebenen Festkörpersystemen
Bisherige thermoelektrische Festkörper-Kühlsysteme erzeugen Temperaturunterschiede mithilfe elektrischer Energie. Nach Angaben der Forscher erreichen sie nur etwa ein Viertel der Effizienz moderner Kompressionskühlung.
Die neue Konstruktion umgeht den elektrischen Antrieb, indem sie die Abwärme selbst in Bewegung umsetzt. Zugleich verzichtet sie auf Kältemittel und Wasser. Das ist relevant, weil der Wasserverbrauch von Rechenzentren mit dem Ausbau rechenintensiver Infrastruktur zunehmend zum Standortfaktor wird.
Heizen und Kühlen verursachen laut IRENA zusammen mehr als 40 % der weltweiten energiebezogenen CO2-Emissionen. Welchen Anteil die neue Technologie davon künftig einsparen könnte, ist noch nicht quantifiziert.
Potenzial für Self-Hosting im DACH-Raum
Für Betreiber im DACH-Raum ist die Entwicklung besonders interessant. Hohe Strompreise und strengere Effizienzanforderungen erhöhen den Druck, Energieverbrauch und Kühlaufwand lokaler Serverräume zu reduzieren.
Kühlkosten sind zudem ein Argument für den Wechsel in die Cloud. Parallel erhöhen steigende Hardware- und Infrastrukturpreise den Aufwand für den Eigenbetrieb, wie etwa die angekündigten Server-Preiserhöhungen bei OVHcloud zeigen. Eine Kühlung ohne zusätzlichen Strom- und Wasserbedarf könnte die Kostenrechnung zugunsten lokaler Infrastruktur verändern.
Das gilt besonders für Unternehmen, die aus Datenschutzgründen oder zur Verringerung des Vendor-Lock-in auf Self-Hosting setzen. Auch bei lokalen KI-Clustern mit eigener Wirtschaftlichkeitsrechnung spielen Energie und Kühlung eine wesentliche Rolle.
Noch ist eine solche Kalkulation mit der neuen Technik nicht möglich. Weder Marktreife und Herstellungskosten noch die industrielle Fertigbarkeit sind bekannt. Der aktuelle Stand ist ein funktionierender Laboraufbau, kein fertiges Kühlsystem für den Dauerbetrieb.