Film tipis catur APL hampir ganda efisiensi pendingin. Bahan yang dapat diskalakan dapat mengubah teknologi pendinginan dan pemanenan energi.
Para ilmuwan di Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, Maryland, telah menciptakan sistem pendinginan termoelektrik solid-state baru yang mudah diproduksi dan dua kali lebih efisien dari perangkat yang dibangun dengan bahan termoelektrik curah standar. Karena kebutuhan global akan teknologi pendinginan yang kompak, andal, dan hemat energi terus meningkat, pengembangan ini memberikan alternatif yang menjanjikan untuk pendinginan berbasis kompresor konvensional.
Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Komunikasi Alampara peneliti dari APL, bekerja dengan insinyur pendingin di Samsung Research, menunjukkan peningkatan signifikan dalam efisiensi pompa panas dan kapasitas pendinginan. Keuntungan ini dimungkinkan melalui bahan termoelektrik yang direkayasa nano-kinerja tinggi yang dikembangkan di APL, yang dikenal sebagai Struktur Superlattice (CHESS) yang direkayasa secara hierarkis terkontrol.
Platform catur mewakili puncak dari satu dekade penelitian APL pada termoelektrik yang direkayasa nano dan aplikasinya. Awalnya dirancang untuk tujuan keamanan nasional, materi tersebut telah diadaptasi untuk penggunaan lain, termasuk terapi pendingin non -invasif untuk prosthetics, dan diakui dengan penghargaan R&D 100 pada tahun 2023.
“Demonstrasi pendingin dunia nyata ini menggunakan bahan termoelektrik baru yang menunjukkan kemampuan film tipis catur nano-engineered,” kata Rama Venkatasubramanian, penyelidik utama proyek bersama dan kepala teknolog untuk termoelektrik di APL. “Ini menandai lompatan yang signifikan dalam teknologi pendingin dan menetapkan panggung 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 sedang didorong oleh pertumbuhan populasi, ekspansi perkotaan, dan ketergantungan yang meningkat 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 bagian yang bergerak atau pendingin kimia. Akibatnya, sistem ini dapat dibuat kompak, tenang, andal, dan berkelanjutan. Sementara bahan termoelektrik curah sudah digunakan dalam produk kecil seperti mini-refrigerator, efisiensi rendahnya, kapasitas transfer panas yang terbatas, dan kompatibilitas yang buruk dengan manufaktur chip semikonduktor telah membatasi 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 tipis catur dalam tes pendingin standar, mengukur dan membandingkan daya listrik yang diperlukan untuk mencapai berbagai tingkat pendinginan dalam sistem uji kulkas komersial yang sama. Tim Life Solution Samsung Research, 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 bahan catur, tim APL mencapai hampir 100% peningkatan efisiensi dibandingkan bahan termoelektrik tradisional pada suhu kamar (sekitar 80 derajat Fahrenheitatau 25 c). Mereka kemudian menerjemahkan keuntungan tingkat material ini menjadi peningkatan efisiensi yang mendekati 75% pada tingkat perangkat dalam modul termoelektrik yang dibangun dengan bahan catur dan peningkatan efisiensi 70% dalam sistem pendinginan yang terintegrasi penuh, masing-masing mewakili peningkatan yang signifikan dibandingkan 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-hanya 0,003 sentimeter kubik, atau seukuran butiran pasir, per unit pendingin. Pengurangan material ini berarti bahan termoelektrik APL dapat diproduksi secara massal menggunakan alat 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 hingga mendukung aplikasi HVAC bangunan besar, mirip dengan cara baterai lithium-ion telah diskalakan ke perangkat listrik sekecil ponsel dan sebesar kendaraan listrik,” kata Venkatasubramanian.
Selain itu, bahan catur dibuat menggunakan proses mapan yang biasa digunakan untuk memproduksi sel surya efisiensi tinggi yang menyalakan satelit dan lampu LED komersial.
“Kami menggunakan deposisi uap kimia logam-organik (MOCVD) untuk menghasilkan bahan catur, metode yang terkenal dengan skalabilitas, efektivitas biaya, dan kemampuan untuk mendukung manufaktur volume besar,” kata Jon Pierce, seorang insinyur peneliti senior yang memimpin kemampuan pertumbuhan MOCVD di APL. “MOCVD sudah banyak digunakan secara komersial, membuatnya ideal untuk meningkatkan produksi bahan termoelektrik film tipis catur.”
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 memperbaiki bahan termoelektrik catur dengan fokus pada meningkatkan efisiensi untuk mendekati sistem mekanik konvensional. Upaya di masa depan termasuk menunjukkan sistem pendinginan skala yang lebih besar, termasuk freezer, dan mengintegrasikan metode yang digerakkan oleh kecerdasan buatan untuk mengoptimalkan efisiensi energi dalam pendinginan yang terkotak atau terdistribusi pada pendingin dan peralatan HVAC.
“Di luar pendinginan, bahan catur juga dapat mengkonversi perbedaan suhu, seperti panas tubuh, menjadi kekuatan yang dapat digunakan,” kata Jeff MARCHI, Manajer Area Program Eksplorasi dalam Area Misi Penelitian dan Pengembangan Eksplorasi APL. “Selain memajukan sistem taktil generasi berikutnya, prosthetics dan antarmuka manusia-mesin, ini membuka pintu untuk teknologi pemanenan energi yang dapat diskalakan untuk aplikasi mulai dari komputer hingga pesawat ruang angkasa-kemampuan yang tidak layak dengan perangkat termoelektrik yang lebih tua.”
“Keberhasilan upaya kolaboratif ini menunjukkan bahwa pendinginan solid-state efisiensi tinggi tidak hanya secara ilmiah yang layak tetapi juga diproduksi dalam skala,” kata Susan Ehrlich, seorang manajer komersialisasi teknologi APL. “Kami menantikan peluang transfer penelitian dan teknologi yang berkelanjutan dengan perusahaan saat kami berupaya menerjemahkan inovasi ini ke dalam aplikasi praktis dunia nyata.”
Referensi: “Bahan termoelektrik film tipis yang direkayasa nano memungkinkan pendinginan solid-state praktis” oleh Jake Ballard, Matthew Hubbard, Sung-Jin Jung, Vanessa Rojas, Richard Ung, Junwoo Suh, Minsoo Kim, 212 MAIONHYUN, JONATHAN M. PIERCE DAN RAMA. Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-025-59698-y
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
