Zní to jako pohádka: přímá přeměna odpadního tepla procesoru na el. energii. Investoři z celého světa se slétli jako vosy na meloun, jakmile se objevily fantastické zprávy o tom, ze firma ENECO vyvinula komponentu aplikovatelnou na jakýkoliv počítačový čip, která provádí konverzi odpadního tepla čipu ke (zpětné) výrobě elektrické energie. V materiálech firmy se hovoří o „térmionické konverzi energie".

Servery a odpadní teplo

Teplo generované procesorem, zvláště v koncentrované podobě v serverovnách a data centrech, je jen „škodlivým“ odpadem. Musí se obtížně likvidovat, tedy přesněji za cenu spotřeby další drahé elektrické energie odvést pryč a rozptýlit do vnějšího prostředí. Nejprve z čipu do prostoru okolo něj, dále z vnitřku počítače ventilátorem do prostoru serverovny a odtud dalším nedokonalým předáváním teploty klimatizačními jednotkami do vnějšího prostředí mimo serverovou místnost. Toto odpadní teplo by se ale mohlo stát zdrojem cenné elektrické energie. Namísto další spotřeby elektřiny na chlazení se má naopak spotřeba elektrické energie nejen snížit tím, že z odpadniho tepla bude produkováno o více než polovinu méně, ale navíc se má ještě větší část původně odpadního tepla přeměnit na elektřinu. Ta se může opět zpětně použít k napájení zařízení telehousu.

Jak to celé funguje?

Teplo je jedna ze základních podob energie, je všude okolo nás. Jaksi intuitivně víme, že čerstvě uvařený hrnek čaje obsahuje více energie nežli ten samý hrnek o dvě hodiny později, kdy čaj vychladl. Teplo se rozptýlilo do okolí. Teplo na fyzikální úrovni atomů je jejich kinetická energie. Pokud nemají jakoby „žádnou“ energii, zamrznou – tak jako náš hrnek čaje při dalším ochlazování v zimě venku za oknem nebo v mrazáku.

Zatímco částice na atomární úrovni mohou „zamrznout“ a znehybnět, jako například ve vodě při teplotě pod 0°C, na subatomární úrovni jsou elektrony vždy v pohybu při teplotách vyšších než je teplota absolutní nuly (-273,15°C). Elektrony se nejenom neustále pohybují kolem jádra atomu, ale i si především v kovech vyměňují místa. A pohyb elektronů je elektrický proud. V zahřátém stavu mají elektrony vyšší energii a jsou ochotnější změnit svoji polohu event. přeskočit do sousedního atomu. Tyto skoky nejsou nijak veliké, jedná se o vzdálenosti od jednoho do deseti nanometrů.

Trocha historie

Termoelektrický jev je znám poměrně dlouho. Byl poprvé náhodně objeven v roce 1821 německým fyzikem Thomasem Johannem Seebeckem, který zjistil, že existuje elektrické napětí mezi dvěma konci kovové tyče, pokud existuje mezi konci tyče rozdíl teplot. Dále pak je po něm pojmenován tzv. Seebeckův efekt: jsou-li spojeny dva vodiče z různých kovů do uzavřeného obvodu a mají-li spoje různou teplotu, protéká obvodem elektrický proud.

Roku 1834 pak popsal Peltier efekt, kdy protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje obvodem složeným ze dvou různých kovů, pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji. Teče-li proud z vnějšího zdroje daným spojem stejným směrem, jaký má proud při ohřátí tohoto spoje v Seebeckově jevu, pak se daný spoj ochlazuje. Prochází-li proud směrem opačným, pak se spoj ohřívá. Peltierův efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě.

To je základ termoelektrických článků. Termoelektrický článek, jednoduše řečeno, vytváří elektrický proud v závislosti na rozdílu teplot na obou jeho stranách, nebo rozdíl teplot v závislosti na elektrickém toku. Je možné jej použít jak k chlazení tak k ohřevu. K ohřevu máme samozřejmě na výběr celou řadu dalších – zpravidla výhodnějších způsobů, a tak jako hlavní oblasti praktických použití zůstává chlazení. Ovšem vlastnosti termoelektrických článků lze s úspěchem využít i k přesnému měření teplot v poměrně velkých rozsazích teplot (podle použitých materiálů až do 1600 °C). No a v neposlední řadě je možno termoelektrický článek využít k výrobě elektřiny tam, kde je k dispozici rozdíl teplot. A to je právě případ povrchu čipu – procesoru.

Moderní cesta přes polovodiče a nanotechnologie

Hlavní potíž v termoelektrických materiálech spočívá v tom, že zároveň se žádoucím pohybem elektronů dochází i k nežádoucímu prostupu tepla a tím ke snížení teplotního spádu (rozdílu teplot) a tedy i možné účinnosti celého zařízení – termoelektrického článku.

Problém zachování teplotního gradientu (rozdílu teplot na obou koncích článku – čím je větší, tím lepší výkon) se snaží řešit hlavní výzkum v oblasti nalezení takového spoje (brány), která bude dobře propouštět elektrony, ale bude mít co největší tepelný odpor. Právě ENECO pracuje s polovodiči. Využití polovodičů by pro termoelektrické články mohlo mít několik významných výhod. Tou první a zásadní má být mnohem vyšší účinnost než u klasických termoelektrických článků složených ze dvou různých kovů. U polovodičů je navíc z čipového průmyslu velmi dobře zvládnutá technologie zpracování a nanášení (resp. napařování) libovolně tenkých vrstev na libovolně velké či spíše malé plochy. ENECO tak tvrdí, že je schopna se dostat na účinnost 50% carnotova cyklu, tedy získat cca 30% účinnost v přeměně odpadního tepla na elektrickou energii.

Nejen růžemi je lemována cesta vpřed

Přes optimistické proklamace o procentech účinnosti a brzkých termínech uvedení komerčních produktů na trh (1Q 2008), mnohé zůstalo jen na papíře. Cesta k průlomovému využití odpadního tepla procesoru není lemována růžemi. Výzkum je velice nákladný a trpělivost investorů krátká. Komplikace při vývoji komerčně nasaditelného prvku vedly ke zdržení a ve výsledku k tomu, že 18.ledna 2008 požádala ENECO o ochranu před věřiteli.

Mezi tím se objevil další výrobce – firma Power Chip z Gibraltaru – jejíž čip dosahuje údajně účinnosti 80% Carnotova cyklu, tedy zhruba 50% účinnost v převodu tepla na elektrickou energii. Power chip sází na nanotechnologie. Pomocí těchto by mělo být údajně možné vytvořit termoelektrický článek kde mezi dvěma termoelektrickými materiály by byla vrstva – nanomembrána – umožňující snadný prostup elektronů, ale omezující nežádoucí přenos tepla.

Jestli tato technologie bude někdy v budoucnu úspěšně zvládnuta – tedy na akceptovatelné úrovni efektivity v poměru k výrobním nákladům – není jasné. Fyzika to nevylučuje. Nebo se dříve dočkáme laciné, bezpečné a nevyčerpatelné energie z jaderných fúzí?

Zřejmě ne. Ona laciná energie asi nebude nikdy už proto, že energetický business má mnoho silných hráčů připravených monopolizovat jakoukoliv novou oblast výroby a distribuce energie, pokud by se taková objevila. A tak perspektiva využití odpadního tepla s vedlejším efektem chlazení procesoru zůstává stále dosti lákavá.

Karel Umlauf, COOLHOUSING.NET