Επιστήμονες από την Κίνα παρουσίασαν μια επαναστατική τεχνολογία ψύξης, ικανή να κατεβάσει τη θερμοκρασία ενός υγρού μέσου από τη θερμοκρασία δωματίου σε υπο-μηδενικά επίπεδα σε λιγότερο από μισό λεπτό. Αυτή η τεράστια πρόοδος στη θερμική μηχανική προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση διαχείρισης θερμότητας για τα ενεργοβόρα data centers, που ξεφυτρώνουν σαν μανιτάρια σε Κίνα και Ηνωμένες Πολιτείες.
Πώς λειτουργεί; Αξιοποιώντας τη μοναδική συμπεριφορά του θειοκυαναμιδίου του αμμωνίου στο νερό υπό πίεση, η ομάδα δημιούργησε ένα σύστημα υγρής ψύξης που μιμείται το στίψιμο ενός “υγρού σφουγγαριού”. Όταν απελευθερώνεται η πίεση, ενεργοποιείται η ταχεία επαναδιάλυση του αλατιού, απορροφώντας τεράστιες ποσότητες θερμότητας σχεδόν ακαριαία. Σε πειράματα, ένα κορεσμένο διάλυμα ψύχθηκε κατά 30 βαθμούς Κελσίου (54 Φαρενάιτ) μέσα σε δευτερόλεπτα σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ σε θερμότερα περιβάλλοντα, η πτώση ξεπέρασε τους 50 βαθμούς.
Αυτός ο εξαιρετικά γρήγορος και υψηλής χωρητικότητας κύκλος ψύξης θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο που η τεχνητή νοημοσύνη (AI) διαχειρίζεται τη θερμότητα. Με θεωρητική απόδοση που πλησιάζει το 80%, ξεπερνώντας κατά πολύ την συμβατική ψύξη, και χωρίς καμία εξάρτηση από επιβλαβή φθοριούχα αέρια, η τεχνολογία αυτή υπόσχεται όχι μόνο ιλιγγιώδεις επιδόσεις, αλλά και μια “πράσινη” πορεία για τα data centers που τροφοδοτούν την επανάσταση της AI.
Η δημοσίευση έγινε στις 22 Ιανουαρίου στο έγκριτο περιοδικό Nature, με την έρευνα να διεξάγεται από μια ομάδα που περιλαμβάνει τους Li Bing από το Ινστιτούτο Μεταλλικής Έρευνας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, Li Kuo από το Κέντρο Επιστήμης & Τεχνολογίας Υψηλής Πίεσης και άλλους.
Καθώς η υπολογιστική ισχύς γίνεται κρίσιμη υποδομή στον αγώνα AI μεταξύ ΗΠΑ και Κίνας, η ραγδαία ανάπτυξή της συνοδεύεται από εκρηκτική κατανάλωση ενέργειας και αυξημένες ανάγκες ψύξης. Το 2024, η εμπορική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ αυξήθηκε κατά 11%, μια αύξηση που αποδίδεται κυρίως σε μια αύξηση 90% σε ετήσια βάση στα data centers. Ο CEO της OpenAI, Sam Altman, τόνισε την κλίμακα του προβλήματος κατά τη διάρκεια ταξιδιού στο Τέξας πέρυσι, σημειώνοντας ότι το ερευνητικό του εργαστήριο ξεκίνησε το 2025 “με περίπου 230 μεγαβάτ χωρητικότητας και τώρα βρίσκεται σε τροχιά να κλείσει το 2025 ξεπερνώντας τα 2 GW λειτουργικής χωρητικότητας”.
Ενώ η Κίνα διαθέτει ήδη διπλάσια ικανότητα παραγωγής ενέργειας από τις Ηνωμένες Πολιτείες, προωθεί επίσης νέες τεχνολογίες για την κατασκευή πιο ενεργειακά αποδοτικών data centers. Το 2019, ο Li Bing ανακάλυψε ότι ορισμένα στερεά υλικά, γνωστά ως πλαστικοί κρύσταλλοι, μπορούσαν να απορροφήσουν ή να απελευθερώσουν θερμότητα ως απόκριση σε αλλαγές πίεσης. Στην πιο πρόσφατη εργασία του, εκείνος και η ομάδα του επέκτειναν αυτό το φαινόμενο σε υδατικά διαλύματα, ονομάζοντάς το “βαροκαρικό φαινόμενο κατά τη διάλυση”.
Μελετώντας ένα είδος αλατιού, το θειοκυαναμίδιο του αμμωνίου, η ομάδα παρατήρησε ότι η διάλυσή του στο νερό απορροφούσε σημαντική ποσότητα θερμότητας. Αυτό οδήγησε σε έρευνα που αποκάλυψε ότι το διάλυμα παρουσιάζει ένα αξιοσημείωτο θερμικό φαινόμενο υπό πίεση. Το παραδοσιακό “βαροκαρικό φαινόμενο” είναι σαν να στίβεις ένα στεγνό σφουγγάρι: η συμπίεση παράγει θερμότητα καθώς η δομή σφίγγεται, ενώ η απελευθέρωση πίεσης το ψύχει καθώς διαστέλλεται. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος προσφέρει περιορισμένη ικανότητα ψύξης, και τα στερεά υλικά μεταφέρουν θερμότητα αργά.
Αντίθετα, το βαροκαρικό φαινόμενο κατά τη διάλυση είναι σαν να στίβεις ένα υγρό σφουγγάρι εμποτισμένο με αλατόνερο. Η εφαρμογή πίεσης προκαλεί την καθίζηση του αλατιού, απελευθερώνοντας θερμότητα. Η απελευθέρωση της πίεσης επιτρέπει στο αλάτι να διαλυθεί γρήγορα ξανά, απορροφώντας ταχύτατα μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας από το περιβάλλον.
Σε θερμοκρασία δωματίου, ένα κορεσμένο διάλυμα θειοκυαναμιδίου του αμμωνίου μπορεί να ψύξει κατά 30 βαθμούς μέσα σε 20 δευτερόλεπτα μετά την απελευθέρωση της πίεσης. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος, η πτώση της θερμοκρασίας μπορεί να ξεπεράσει τους 50 βαθμούς, δείχνοντας εξαιρετική απόδοση ψύξης που ξεπερνά τα υπάρχοντα υλικά.
Βασισμένη σε αυτό το φαινόμενο, η ομάδα σχεδίασε έναν τετραβάθμιο κύκλο ψύξης: συμπίεση του διαλύματος για θέρμανσή του, διάχυση αυτής της θερμότητας στο περιβάλλον μέσω ροής, αποσυμπίεση για την ενεργοποίηση έντονης ψύξης και τέλος, άντληση του ψυχθέντος διαλύματος για την απορρόφηση θερμότητας από τον εξοπλισμό. Σε έναν μόνο κύκλο, κάθε γραμμάριο του ενεργού ρευστού μπορεί να απορροφήσει έως και 67 joules θερμότητας, με θεωρητική απόδοση έως και 77%. Αυτό συγκρίνεται ευνοϊκά με την τυπική απόδοση 50% των συνηθισμένων συμπιεστών ψυγείων.
“Τα συστήματα ψύξης αυτή τη στιγμή ευθύνονται για σχεδόν το 40% της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ενός data center. Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να παρέχει μια πιο αποδοτική λύση ψύξης για αυτές τις εγκαταστάσεις υψηλής κατανάλωσης ενέργειας,” ανέφερε η κρατική τηλεόραση CCTV στις 23 Ιανουαρίου.
Πέρα από την υψηλότερη απόδοση και τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, το ρευστό επιτρέπει εγγενώς αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας μέσω ροής. Σε σύγκριση με την ευρέως χρησιμοποιούμενη ψύξη συμπίεσης αερίου, αυτή η μέθοδος εξαλείφει την ανάγκη για επιβλαβή ψυκτικά μέσα φθορανθράκων με υψηλό δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη, μειώνοντας σημαντικά τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο. “[Η έρευνα] ενσωματώνει μεγάλη ικανότητα ψύξης, αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας και χαμηλές εκπομπές άνθρακα,” δήλωσε ο Li Bing στο άρθρο.
Η έκθεση της CCTV σημείωσε ότι αυτή η έρευνα προσέφερε ένα νέο μονοπάτι για τεχνολογίες ψύξης σε data centers επόμενης γενιάς και τσιπ υπολογιστών υψηλών επιδόσεων.
