Hệ thống làm mát mô phỏng hệ tuần hoàn có thể thay thế điều hòa

Mạng lưới phức tạp của tĩnh mạch giúp cơ thể chúng ta làm mát trong cái nóng của mùa hè đã thúc đẩy các kỹ sư thiết kế hệ thống quản lý nhiệt mới có thể ứng dụng để làm mát máy tính, ô tô, máy bay.

Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí quốc tế về chuyển khối và nhiệt, Tiến sĩ Ahmad Najafi, Giáo sư Đại học Kỹ thuật Drexel và cộng tác viên của ông, Tiến sĩ Jasson Patrick từ Đại học Công lập North Carolina, báo cáo về cách họ sử dụng một kỹ thuật tính toán được họ phát triển có thể nhanh chóng tạo ra các thiết kế để in 3D bằng vật liệu composite sợi carbon với vi mạch bên trong được tối ưu hóa cho hoạt động làm mát.

Hệ thống làm mát mới mô phỏng hệ tuần hoàn của con người.

Mạng lưới phức tạp của tĩnh mạnh giúp cơ thể chúng ta làm mát trong cái nóng của mùa hè đã thúc đẩy các kỹ sư thiết kế hệ thống quản lý nhiệt mới. Nhưng việc sao chép hệ tuần hoàn, về định dạng hay chức năng, không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Gần đây, nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Drexel và Đại học Công lập North Carolina đã tạo ra một nền tảng tính toán có thể là chìa khóa để mô phỏng hệ thống làm mát được tối ưu qua quá trình tiến hóa của cơ thể con người.

Tiến sĩ Najafi nói: “Khi bạn bị nóng, cơ thể sẽ gửi một tín hiệu tới hệ tuần hoàn để bơm máu nhiều hơn tới bề mặt da, đấy là lý do tại sao chúng ta bị đỏ mặt. Đây là một cách tự nhiên rất tốt để tiêu tan nhiệt, các nhà khoa học và các kỹ sư đã từng cố gắng trong nhiều năm để mô phỏng hệ thống làm mát cơ khí, giống những cách giữ cho xe ô-tô và máy tính khỏi bị quá nhiệt”.

Bài báo mới nhất của Najafi và Patrick mô tả một nền tảng tích hợp để thiết kế và tạo ra các vật liệu tổng hợp mô phỏng vi mạch sinh học có thể làm mát.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Drexel đã tạo ra một chương trình tối ưu hóa
cấu hình vi mạch của các vật liệu có thể được sử dụng để làm mát các công nghệ
tỏa nhiệt khi vận hành như máy tính và ô tô. (Nguồn: Đại học Drexel).

Trong vài phút, chương trình máy tính của học - được đặt là HyTopS, viết tắt của hybrid topology (cấu hình lai)/shape optimization (tối ưu hóa cấu trúc) - có thể tạo ra một sơ đồ cho một mạng lưới mạch với các hình dạng, kích thước và phân phối lý tưởng của vi mạch để làm mát tích cực một vật liệu thông qua chất lỏng lưu thông - điều mà Mẹ thiên nhiên phải mất hơn vài chu kỳ tiến hóa để có một cơ thể hoàn hảo.

Vật liệu sợi tổng hợp vi mạch hiện đang được phát triển để làm mát mọi thứ từ phương tiện vận chuyển chạy bằng điện đến các máy bay thế hệ tiếp theo, mà trong đó việc gia tăng hiệu suất cao cũng làm tăng nhiệt mà chúng tạo ra.

Tiến sĩ Patrich nói: “Những vật liệu hiện đại này có thể cách mạng hóa mọi thứ từ phương tiện không gian siêu âm đến pin đóng gói trong ô-tô điện và thậm chí cả các hệ thống làm mát cho siêu máy tính. Khi những thứ này di chuyển nhanh hơn, năng lượng sản sinh và năng lượng tính toán tiếp tục gia tăng, một lượng nhiệt khổng lồ được sản sinh đòi hỏi một cách tiếp cận mới để làm mát".

Theo Tiến sĩ Patrich, được cảm hứng từ hệ thống tuần hoàn của các sinh vật sống, việc mô phỏng vi mạch bên trong cơ thể cung cấp biện pháp hiệu quả để điều chỉnh nhiệt độ bên trong vật liệu tổng hợp.

Theo cả hai nhà khoa học, việc nghiên cứu mô phỏng sinh học này chỉ có vào khoảng một thập kỷ hoặc chưa đến như vậy nhưng kết quả nó tạo ra khá hứa hẹn. Cả hai người bắt đầu sự nghiệp học vấn của mình tại Đại học Illinois Urbana-Champain phát triển vật liệu vi mạch có khả năng tự phục hồi, làm mát chủ động và hơn thế nữa.

Một phần nỗ lực nghiên cứu gần đây của họ là thay thế hệ thống bằng kim loại truyền thống để chuyển nhiệt bằng nước hoặc không khí. Đây là một giải pháp khá tin cậy, và sẽ là một cải tiến trong việc giảm trọng lượng của một phương tiện hoặc một thành phần nào đó khi không cần đến các cục điều hòa.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Drexel có thể thiết kế các vật liệu làm mát, lấy cảm hứng từ hệ thống tuần hoàn của cơ thể. Trong ảnh là Giáo sư, Tiến sĩ Ahmad Najafi và Tiến sĩ Reza Pejman, thuộc Đại học Drexel.

Theo Giáo sư Najafi, vật liệu tổng hợp vi mạch có lợi thế hơn hệ thống làm mát bằng chất lỏng hay không khí hiện có, do nó nhẹ hơn với sức mạnh tương đương, nhưng lại rất bền. “Thật dễ dàng để thấy tại sao chúng đang được tìm kiếm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô-tô và năng lượng”, ông nói.

Để thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo một hỗn hợp sợi carbon vi mạch bằng cách sử dụng in 3D và thử nghiệm khả năng làm mát của nó so với thiết kế tham chiếu từ các nghiên cứu trước. Sau khi làm nóng vật liệu tổng hợp carbon đến nhiệt độ tối đa, chất làm mát chất lỏng (tương tự như trong xe hơi của bạn) được bơm qua từng mạng lưới mạch để bắt đầu quá trình làm mát.

Hợp chất carbon được tối ưu hóa không chỉ mát hơn mà còn đồng đều hơn về mặt phân bố nhiệt độ bề mặt và đã có thể hạ nhiệt nhanh hơn thiết kế tham chiếu.

Ngoài hiệu suất vượt trội của vật liệu được tối ưu hóa, ưu điểm của phương pháp HyTopS là nó tự động tính toán tác động của các thay đổi đối với đường kính và cách sắp xếp các kênh, cũng như cách chúng được kết nối với nhau. Nó cũng đưa vào xem xét hình dạng tổng thể và trang điểm vật liệu của hệ thống được làm mát và các đặc tính truyền nhiệt tương ứng. Và nó tính toán đến các thông số liên quan đến quá trình chế tạo, vì vậy thiết kế cuối cùng là một vật liệu vi mạch thực tế có thể được tạo ra bằng cách in 3D hoặc các phương pháp khác có thể tiếp cận được.

“Chúng gần như không thể mô phỏng toàn bộ sự phức tạp của vi mạch tự nhiên, nhưng nghiên cứu của chúng tôi cho phép tối ưu hóa và xem xét các thông số chế tạo để chắc chắn thiết kế có thể xây dựng được”, Giáo sư Najafi nói.