10 технологий, которые помогают машинам работать в самых жарких условиях на Земле и за ее пределами

Проблема становится все актуальнее: центры обработки данных работают с растущими вычислительными нагрузками, а авиационные двигатели функционируют при все более высоких температурах. Инженеры отвечают на этот вызов системами охлаждения и современными материалами, которые либо эффективно отводят тепло, либо позволяют технике выдерживать его воздействие.

1. Жидкостное и иммерсионное охлаждение

Воздушное охлаждение с трудом справляется с тепловой нагрузкой, когда тысячи процессоров размещены в пределах одного дата-центра. Система охлаждения непосредственно на уровне чипа решает эту проблему: жидкость циркулирует через охлаждающие пластины, установленные на процессорах и других компонентах, выделяющих тепло.

Иммерсионное охлаждение идет еще дальше — целые серверы погружаются в диэлектрическую жидкость, которая не проводит электрический ток.

Исследование Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли показало, что погружение электроники в открытую ванну с такой жидкостью позволяет охлаждать высокоплотные вычислительные системы без традиционных компрессорных установок.

В однофазных системах охлаждающая жидкость остается в жидком состоянии, поглощая тепло. В двухфазных системах она закипает рядом с наиболее горячими компонентами, а затем конденсируется и возвращается в охлаждающую ванну.

2. Микроканалы, струйное и распылительное охлаждение

Некоторые электронные компоненты выделяют настолько много тепла на небольшой площади, что обычных жидкостных систем охлаждения недостаточно. Микроканальное охлаждение решает эту проблему за счет циркуляции теплоносителя по крошечным каналам, расположенным непосредственно рядом с источником тепла.

При струйном охлаждении высокоскоростной поток жидкости направляется через небольшие сопла прямо на нагретую поверхность. В месте попадания струи формируется тонкий пограничный слой, благодаря чему тепло отводится эффективнее.

При распылительном охлаждении поверхность покрывается мельчайшими каплями жидкости, которые поглощают тепло и испаряются.

Министерство энергетики США поддерживает разработку современных систем охлаждения непосредственно на уровне микросхем, включая двухфазные охлаждающие пластины и струйные системы.

3. Теплозащитные покрытия

Теплозащитные покрытия представляют собой тонкие керамические слои, наносимые на жаропрочные металлические детали. Благодаря низкой теплопроводности они замедляют передачу тепла к металлу, находящемуся под защитным слоем.

Полноценная система покрытия обычно состоит из верхнего керамического слоя и металлического связующего покрытия. Между ними во время работы детали формируется еще один слой — термически выращенный оксид. Такие системы позволяют компонентам турбин выдерживать температуры, при которых незащищенный сплав быстро терял бы прочность. Теплозащитные покрытия называют критически важным элементом безопасной и эффективной работы газотурбинных двигателей.

4. Суперсплавы и жаропрочные сплавы

Суперсплавы на основе никеля составляют конструктивную основу авиационных двигателей и газовых турбин. Они сохраняют механическую прочность даже при экстремальных температурах и воздействии огромных центробежных сил.

В лопатках турбин из монокристаллических сплавов отсутствуют границы зерен, характерные для обычных металлов. Именно такие границы могут становиться слабыми местами, где при длительном воздействии высокой температуры зарождаются трещины и начинается деформация.

Лучшие никелевые суперсплавы, применяемые в турбинах, способны работать при температурах, приближающихся к 1100°C. Когда температура окружающего газа становится еще выше, дополнительную защиту обеспечивают специальные покрытия и внутренние каналы охлаждения.

5. Керамические матричные композиты

Керамические матричные композиты состоят из керамических волокон, заключенных внутри керамической матрицы. Волокна препятствуют свободному распространению трещин по материалу. Такие композиты способны выдерживать более высокие температуры, чем многие металлы, при этом обладая меньшей массой. Кроме того, турбинам, изготовленным с их применением, требуется меньше охлаждающего воздуха.

По данным GE Aerospace, плотность ее керамических матричных композитов примерно в три раза ниже, чем у сопоставимых металлических деталей. В таких двигателях, как GE9X, на их охлаждение требуется менее половины воздушного потока по сравнению с традиционными металлическими компонентами.

6. Абляционные теплозащитные системы

Абляционные теплозащитные экраны защищают космические аппараты, постепенно жертвуя собственной массой. Их внешние слои обугливаются или испаряются, унося с собой значительную часть тепловой энергии.

Выделяющиеся при этом газы могут создавать у поверхности защитного экрана дополнительный защитный слой. Он помогает уменьшить передачу тепла от раскалённого ударного слоя, окружающего космический аппарат при возвращении в атмосферу.

Разработанный NASA материал Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA) использовался для защиты космических аппаратов Stardust и OSIRIS-REx, а также применялся в миссиях Mars Science Laboratory и Mars 2020.

7. Регенеративное охлаждение

В ракетных двигателях температура продуктов сгорания может во много раз превышать пределы, которые способны выдержать стенки камеры сгорания. Регенеративное охлаждение предотвращает их перегрев: топливо или другой теплоноситель пропускается по каналам, встроенным непосредственно в стенки двигателя.

Жидкость поглощает тепло еще до того, как топливо поступает в камеру сгорания. Таким образом, система одновременно охлаждает двигатель и предварительно нагревает топливо перед сгоранием. Этот принцип также исследуется для гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей, работающих в условиях чрезвычайно интенсивного аэродинамического и теплового воздействия.

Исследования, опубликованные в журнале Applied Thermal Engineering, рассматривают регенеративное охлаждение как один из ключевых способов защиты камер сгорания таких двигателей.

8. Материалы с фазовым переходом

Материалы с фазовым переходом поглощают тепло, переходя из одного физического состояния в другое. Во многих системах используется материал, который при повышении температуры плавится.

Во время такого перехода материал способен запасать значительное количество тепловой энергии, не допуская столь же резкого повышения собственной температуры. Позднее, при охлаждении и затвердевании, накопленное тепло высвобождается. Это делает материалы с фазовым переходом особенно полезными при кратковременных всплесках тепловой нагрузки — например, возникающих в электронике или аккумуляторах.

NASA отмечает, что такие системы позволяют сглаживать температурные пики и защищать компоненты, которые регулярно подвергаются повторяющимся циклам нагрева и охлаждения.

9. Полупроводники с широкой запрещенной зоной

Обычная кремниевая электроника может выйти из строя при высоких температурах, когда внутри материала начинают происходить нежелательные электрические процессы.

Материалы с широкой запрещенной зоной, такие как карбид кремния и нитрид галлия, требуют большей энергии для перевода электронов в проводящее состояние.

Благодаря этому они способны обеспечивать работу мощной электроники при температурах и напряжениях, которые становятся проблемой для традиционного кремния. Карбид кремния особенно важен для авиационных двигателей и систем, предназначенных для исследования планет.

NASA испытывало схемы на основе карбида кремния в условиях, имитирующих поверхность Венеры, при температуре около 460°C. Электронные компоненты проработали 521 час без охлаждения и защитной упаковки.

10. Тепловые трубки и двухфазные теплораспределители

Тепловые трубки используют герметичный контур с рабочей жидкостью для отвода тепла от чувствительных компонентов. Жидкость испаряется рядом с источником тепла и перемещается в более холодную часть системы.

Там пар конденсируется, отдавая накопленную тепловую энергию. Фитиль или внутренний канал возвращает жидкость к горячей зоне, после чего цикл начинается заново.

Паровые камеры работают по тому же принципу, но позволяют распределять тепло по значительно большей площади.

NASA относит тепловые трубки и другие двухфазные устройства к числу систем терморегулирования, применяемых для защиты оборудования космических аппаратов.

Ни один материал или система охлаждения не способен в одиночку решить все проблемы, связанные с экстремальными температурами. Технология, идеально подходящая для мощного сервера с искусственным интеллектом, может оказаться совершенно бесполезной внутри ракетного двигателя или аппарата, входящего в атмосферу.

Поэтому наиболее устойчивые машины используют сразу несколько уровней тепловой защиты. Одни материалы выдерживают часть тепловой нагрузки, системы охлаждения отводят другую ее часть, а остальные компоненты продолжают работать даже тогда, когда тепло все же проникает внутрь. Именно сочетание материалов, охлаждения и продуманной конструкции позволяет современной технике работать там, где обычные устройства попросту не выдержали бы.

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram