Un equipo de ingenieros de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado una nueva tecnología de refrigeración que podría mejorar significativamente la eficiencia energética de los centros de datos y los dispositivos electrónicos de alta potencia. La innovación se basa en una membrana de fibras especialmente diseñada que elimina el calor de forma pasiva mediante evaporación. Se presenta como una alternativa prometedora a los sistemas tradicionales de refrigeración, como ventiladores, disipadores térmicos y bombas de líquido. Además, podría reducir el uso de agua asociado a muchos sistemas actuales.
El avance ha sido detallado en un artículo publicado el 13 de junio en la revista Joule.
A medida que la inteligencia artificial (IA) y la computación en la nube siguen creciendo, también lo hace la demanda de procesamiento de datos y, con ella, el calor que este proceso genera. Actualmente, la refrigeración representa hasta un 40 % del consumo energético total de un centro de datos. Si la tendencia continúa, el consumo energético global para refrigeración podría más que duplicarse de aquí a 2030.
La nueva tecnología de refrigeración por evaporación podría ayudar a contener esta tendencia. Utiliza una membrana de fibra de bajo coste con una red de diminutos poros interconectados que distribuyen el líquido refrigerante sobre su superficie mediante acción capilar. Al evaporarse el líquido, el calor se elimina de forma eficiente de la electrónica subyacente, sin necesidad de energía adicional. La membrana se sitúa sobre microcanales dispuestos por encima de los componentes electrónicos, atrayendo el líquido que fluye por dichos canales y disipando eficazmente el calor.
"En comparación con los sistemas de refrigeración tradicionales por aire o líquido, la evaporación puede disipar flujos de calor más elevados utilizando menos energía", afirmó Renkun Chen, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, quien ha codirigido el proyecto junto a los profesores Shengqiang Cai y Abhishek Saha, también del mismo departamento. El estudiante de doctorado Tianshi Feng y el investigador posdoctoral Yu Pei, ambos miembros del grupo de investigación de Chen, son los coautores principales del estudio.
Numerosas aplicaciones actuales ya emplean la evaporación para refrigerar. Los tubos de calor en ordenadores portátiles o los evaporadores de los aires acondicionados son algunos ejemplos, explica Chen. Sin embargo, aplicarla de manera eficaz en electrónica de alta potencia ha supuesto un desafío. Intentos previos con membranas porosas —que poseen grandes superficies ideales para la evaporación— han fracasado porque sus poros eran demasiado pequeños (lo que provocaba obstrucciones) o demasiado grandes (lo que inducía ebullición no deseada). “En este caso, utilizamos membranas de fibra porosa con poros interconectados del tamaño adecuado”, señala Chen. Este diseño permite una evaporación eficiente sin presentar esos inconvenientes.
Cuando se sometió a distintas condiciones de flujo de calor, la membrana alcanzó un rendimiento sin precedentes. Fue capaz de gestionar flujos térmicos superiores a los 800 vatios por centímetro cuadrado, uno de los niveles más altos jamás registrados para este tipo de sistema de refrigeración. Además, demostró una gran estabilidad tras varias horas de funcionamiento continuo.
“Este logro demuestra el potencial de repensar los materiales para aplicaciones completamente nuevas”, afirma Chen. “Estas membranas de fibra se diseñaron originalmente para la filtración, y nadie había explorado su uso en la evaporación. Nos dimos cuenta de que sus características estructurales únicas —poros interconectados y un tamaño adecuado— podían hacerlas ideales para una refrigeración evaporativa eficiente. Lo que nos sorprendió fue que, con el refuerzo mecánico adecuado, no solo soportaron flujos térmicos elevados: funcionaron extraordinariamente bien en esas condiciones.”
Aunque los resultados actuales son prometedores, Chen señala que la tecnología aún opera muy por debajo de su límite teórico. El equipo trabaja ahora en perfeccionar la membrana y optimizar su rendimiento. Los siguientes pasos incluyen integrarla en prototipos de cold plates —componentes planos que se acoplan a chips como CPUs y GPUs para disipar el calor—. Además, el equipo tiene previsto lanzar una empresa emergente para comercializar la tecnología.
