Nghiên cứu Đức-Nhật phát minh công nghệ làm mát không cần điện cho trung tâm dữ liệu

Một nhóm nghiên cứu chung giữa Đức và Nhật Bản vừa trình diễn thành công một hệ thống làm mát trạng thái rắn hoạt động hoàn toàn không cần điện, dựa trên nguyên lý đàn hồi nhiệt và sử dụng chính nhiệt thải từ thiết bị làm nguồn năng lượng vận hành.

Phát minh này có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong việc giảm chi phí và lượng khí thải carbon cho các trung tâm dữ liệu, vốn phụ thuộc rất lớn vào hệ thống điều hòa và làm mát tốn kém. Trong bối cảnh ngành công nghệ đang chịu sức ép lớn về tiêu thụ năng lượng và nguồn nước, một giải pháp làm mát thụ động và thân thiện môi trường là điều mà nhiều tập đoàn lớn đang tìm kiếm.

Đột phá từ việc “vay mượn” nhiệt thải

Các nhà khoa học đến từ Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) và Đại học Tsukuba đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Nature Energy vào thứ Sáu vừa qua. Theo đó, họ đã phát triển một hệ thống làm mát bằng công nghệ elastocaloric — sử dụng hợp kim nhớ hình có khả năng thay đổi nhiệt độ khi chịu tác động cơ học.

Điểm khác biệt lớn nhất so với các nghiên cứu trước đây là hệ thống này không hề dùng điện để kích hoạt hợp kim. Thay vào đó, chúng tận dụng nhiệt thải phát ra từ chính vật thể cần làm mát — ví dụ như một con chip máy tính — để tạo ra chuyển động cơ học, từ đó kích hoạt quá trình chuyển pha tạo ra hiệu ứng lạnh.

"Đối với chúng tôi, khoảnh khắc quyết định là lần đầu tiên chứng kiến khả năng làm mát đo được, thực sự được tạo ra bởi một hệ thống truyền động bằng nhiệt," Yi-Ting Hsiau, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại KIT và là tác giả chính của bài báo, chia sẻ. "Điều này cho thấy nguyên lý không chỉ đúng trên giấy tờ."

Nguyên lý hoạt động từ hai lá hợp kim mỏng

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một cặp lá hợp kim niken-titan siêu mỏng với hai chức năng đối lập:

• Một lá sẽ co lại khi gặp nhiệt, tạo ra chuyển động cơ học và đóng vai trò như một bộ truyền động (actuator) thuần cơ học.
• Lá thứ hai nhận trực tiếp năng lượng cơ học này, được nén và nhả liên tục để kích hoạt quá trình chuyển pha, tạo ra hiệu ứng làm lạnh.

Trong các thử nghiệm trong phòng lab, hệ thống đạt được mức chênh lệch nhiệt độ 12,9 K ở lớp vật liệu làm lạnh và 4,0 K ở cấp độ thiết bị khi vận hành ở nhiệt độ 86°C (187°F). Ngay cả với nguồn nhiệt bên ngoài lên tới 130°C (266°F), thiết bị vẫn duy trì được mức chênh lệch nhiệt độ 2,2 K — một con số khiêm tốn nhưng đủ để chứng minh tính khả thi của nguyên lý ở quy mô nhỏ nhất.

Tiềm năng và bối cảnh cấp thiết cho ngành trung tâm dữ liệu

Phát minh này xuất hiện trong bối cảnh ngành công nghệ đang phải đối mặt với bài toán nan giải về năng lượng và nước cho hệ thống làm mát. Theo số liệu từ IRENA, hệ thống sưởi và làm mát hiện chiếm hơn 40% tổng lượng khí thải CO2 liên quan đến năng lượng trên toàn cầu. Đặc biệt, các trung tâm dữ liệu ngày càng lớn và “ngốn” điện hơn do sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo (AI), kéo theo nhu cầu làm mát khổng lồ.

So với các công nghệ làm mát truyền thống sử dụng chất làm lạnh gây hại cho môi trường, hệ thống elastocaloric mang lại lợi thế vượt trội:

• Tiết kiệm năng lượng hoàn toàn: Không cần điện đầu vào cho quá trình làm mát.
• Không cần nước: Giảm áp lực lên nguồn tài nguyên nước vốn đang căng thẳng.
• Kích thước nhỏ gọn: Phù hợp để tích hợp trực tiếp lên các linh kiện như bộ vi xử lý.

"Chúng tôi tin rằng đây mới chỉ là khởi đầu," Jingyuan Xu, trưởng nhóm nghiên cứu ZEco Thermal Lab thuộc KIT, nhấn mạnh. "Bằng cách mở rộng quy mô công nghệ này, chúng tôi hướng tới việc phát triển các hệ thống làm mát nhỏ gọn, tận dụng nguồn nhiệt dồi dào để làm mát bền vững."

Bước tiếp theo và thách thức hiện thực hóa

Hiện nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch chế tạo các mô hình thử nghiệm lớn hơn để tối ưu hóa hiệu suất làm mát. Dù vẫn mới ở giai đoạn phòng thí nghiệm, đây là hướng đi đầy triển vọng giúp giảm dấu chân năng lượng của ngành công nghệ, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng tại các thị trường có khí hậu nóng như Việt Nam.

Tuy nhiên, nhiều chuyên gia trong ngành nhận định rằng việc chuyển từ mức chênh lệch vài độ Kelvin trong phòng thí nghiệm sang quy mô làm mát thực tế cho hàng trăm máy chủ trong một trung tâm dữ liệu là một thách thức kỹ thuật không nhỏ. Dù vậy, tiềm năng tiết kiệm điện năng và bảo vệ môi trường của công nghệ này chắc chắn xứng đáng để các ông lớn công nghệ theo dõi sát sao.