Традиционные средства охлаждения процессоров: пассивный (с радиатором) и активный (с вентилятором)
Ближе к экзотике: кулер на фазовом переходе
Экспериментальная установка в лаборатории Kronos Advanced Technologies
Принципиальная схема работы «ионного» кулера
Инфракрасная микрофотография работающего кулера
Наиболее простой и даже древний способ охлаждения заключается в увеличении площади поверхности: известно, что слонам большие уши нужны именно для охлаждения своего объемного тела. Точно таким же образом можно отводить тепло от процессора, установив на него специальный радиатор — массивную металлическую деталь с большим количеством пластин, значительно увеличивающих площадь поверхности устройства. Как правило, радиаторы изготавливают из меди или алюминия (эти металлы обладают сравнительно высокой теплопроводностью и невысокой стоимостью). К преимуществам пассивного охлаждения следует отнести простоту, технологичность и полную бесшумность. Однако основной его недостаток — невозможность рассеивать большое количество тепла за небольшое время. Сами по себе радиаторы уже неспособны обеспечить охлаждение современных микропроцессоров — для этого им необходима помощь вентилятора.
В большинстве современных компьютеров необходимый отвод тепла обеспечивается за счет воздушного потока, создаваемого вентиляторами. Как правило, используется комбинированная схема охлаждения, в которой воздушный поток направляется на металлический радиатор. Подобное совмещение активного и пассивного методов охлаждения позволяет увеличить отвод тепла на порядки по сравнению с обыкновенным радиатором. Но главный (мы все его чувствуем на себе) недостаток вентиляторов — шум, который они издают во время работы. Кроме того, они рано или поздно ломаются, и их приходится менять — в отличие от абсолютно бесшумных и практически вечных радиаторов.
Несколько менее популярным и более экзотичным методом является водяное охлаждение. По сравнению с воздухом, вода обладает гораздо большей теплоемкостью, поэтому она может отводить намного больше тепла за единицу времени. Как правило, системы жидкостного охлаждения построены по очень нехитрой схеме: небольшой насос прокачивает воду по замкнутому кругу, в результате чего она сначала проходит мимо процессора, забирая у него тепло, а потом остывает в радиаторе, который обычно располагается вне системного блока. Водяное охлаждение чипов не получило широкого распространения ввиду дороговизны и сложности этого метода. Водяные насосы несколько тише, нежели вентиляторы, однако и в них содержатся движущиеся части, что негативно сказывается на долговечности и надежности подобных систем.
Совершенно новый подход к жидкостному охлаждению предложила компания nanoCoolers , разработчики которой догадались использовать в качестве рабочей жидкости расплавленный металл, а именно — довольно хитрый сплав, состоящий преимущественно из индия и галлия (последний переходит в жидкую фазу уже при 30,1ОС). Такая «металлическая жидкость» обладает большей теплопроводностью, чем вода, но главное — ее можно прогонять по трубкам с помощью электромагнитных сил, и необходимость в механическом насосе отпадает. Однако ввиду высокой стоимости подобных систем, пока они не могут претендовать на роль массовой альтернативы привычным кулерам.
Пожалуй, наиболее экзотическими видами жидкостного охлаждения являются системы, в которых компьютер полностью погружается в жидкость, практически не проводящую электрический ток — например, в масло. По совершенно очевидным причинам, большинство пользователей никак не могут воспользоваться этим методом. Существуют также системы охлаждения, работающие на фазовом переходе: при резком расширении и рабочее вещество переходит из жидкого состояния в газообразное и, в соответствии с законами термодинамики, охлаждается. На этом принципе работают современные холодильники и кондиционеры, а некоторые производители сумели приспособить его и для охлаждения компьютерных компонентов. Кулеры на фазовом переходе являются очень мощными, но весьма дорогостоящими устройствами: пользователям-энтузиастам приходится платить за них многие тысячи долларов.
Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками — одни слишком дороги, другие недостаточно производительны, а третьи отличаются низкой надежностью и высоким уровнем шума. Поэтому вопрос о создании дешевого и простого устройства, способного эффективно охлаждать современные процессоры, по‑прежнему остается открытым. Компания Kronos Advanced Technologies утверждает, что ей удалось приблизиться к решению этой задачи. Устройство, которое разрабатывается в Kronos, использует ионный ветер от коронного разряда, появляющегося вокруг заряженного проводника за счет ионизации окружающей среды, жидкой или газообразной.
Наряду с радиоизлучением, коронные разряды являются одним из основных источников потерь энергии при транспортировке электричества по высоковольтным линиям. Вместе с тем, коронный разряд нашел широкое применение в индустрии фотокопирования, системах кондиционирования и очистки воздуха и многих других устройствах. О том, что с помощью ионизации воздух можно заставить двигаться в нужном направлении, ученые знают уже довольно давно: первым исследователем, отметившим движение воздуха возле заряженной трубки был английский экспериментатор Френсис Хоксби, живший аж три века назад. Именно этот феномен лежит в основе тех разработок, которые ведет компания Kronos.
«Коронный кулер» работает следующим образом. На кончике катода, расположенного с одной стороны процессора, создается мощное электрическое поле, из-за чего молекулы азота и кислорода в воздухе ионизируются, приобретая положительный заряд и устремляясь к аноду на противоположной стороне. При этом они сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха, сообщая им свой момент движения. В результате образуется эффективный воздушный поток, направленный от катода к аноду — он-то и охлаждает процессор, безо всякого вентилятора.
Преимущества этого подхода совершенно очевидны: коронный кулер не имеет движущихся частей, работает абсолютно бесшумно, и отличается неплохой экономичностью, а также является очень простым и компактным устройством. По словам Игоря Кричтафовича (Igor Krichtafovitch), размер созданных в настоящий момент прототипов не превышает нескольких кубических миллиметров, при этом они вполне способны обеспечить достаточное охлаждение процессора средней мощности. Коммерческий запуск таких охладителей может состояться уже через два года.
В 60-х года «ионолет» казался инновацией и революцией в науке. Ходили даже разговоры о том, что принцип его работы можно было бы использовать в маленьких самолетах и в военном деле, ведь такие «ионолеты» не вырабатывали тепла и тем самым их было невозможно обнаружить на радарах. В какое-то время благодаря своей бесшумности «ионолетами» хотели заменить обычные вертолеты и даже построить специальные летающие платформы противоракетной обороны и мониторинга за движением по дорогам.
Проблема заключалась в мощности. Технология отлично работала с маленькими моделями, вроде той, что можно видеть выше на видео, но совсем не подходила для строительства более крупных «ионолетов». Что уж говорить, технология даже не позволяла нести на борту собственный источник питания, не говоря уже о дополнительном оборудовании. И поэтому некоторое время спустя о технологии стали забывать.
Когда же ученые из MIT решили вернуться к этом вопросу, то обнаружили, что на самом деле серьезных исследований ионного ветра и возможности создания двигателей на его основе не проводилось. Поэтому они решили провести эксперимент, при котором на конструкцию «ионолета» подавался бы ток в сотни вольт, которых бы хватило для того чтобы зажечь обычную лампочку.
Результаты оказались удивительными. Команда исследователей обнаружила, что ионная тяга оказалась более эффективной в сравнении, например, с самолетными двигателями. В то время как самолетные (турбореактивные) двигатели создают тягу в 2 H на киловатт мощности, ионный двигатель смог создать 110 Н на киловатт мощности. Более того, выяснилось, что такие двигатели наиболее эффективны для обеспечения малой тяги. Другими словами энергия не расходовалась зря.
Несмотря на это довольно обещающее открытие, не стоит ожидать, что мы сможем увидеть и даже полетать на «ионолетах» в ближайшем будущем. Ведь несмотря на свою эффективность, технология требует невероятно высокого количества потребляемой для питания энергии. Даже для того чтобы поднять в воздух маленький , потребуется мегавольты энергии. Поэтому ученым придется еще решить вопросы о том, как запихнуть в самолет мощность вырабатываемую целой электростанцией.
Тем не менее характеристики и особенности ионного двигателя подводят нас к рассуждению о том, что при увеличении самих двигателей, увеличивается и расстояние между анодом и катодом. Поэтому для запуска с земли «ионолету» потребуется настолько большой двигатель, что практически само летательное средство будет находится внутри этого двигателя. А это означает, что «ионолет» возможно будет очень большим, круглым, с расположенной в центре основной палубой.
Другими словами, кто знает, что однажды мы сможем увидеть настоящие бесшумные летающие тарелки .
Алюминиевая пищевая фольга и тончайшая медная проволочка, а между ними — лишь 3 сантиметра воздуха. Фольга и проволочка закреплены на квадратном диэлектрическом каркасе из легких пластиковых палочек. Конструкция покоится на столе, и как на любой предмет, на нее действует сила тяжести со стороны Земли. Но стоит создать между фольгой и проволочкой разность потенциалов в несколько тысяч вольт, подав на нее высокое постоянное напряжение порядка 30000 вольт от маломощного источника питания, как конструкция, словно по волшебству, взлетает.
Речь здесь не идет о взлетающем конденсаторе, ведь обкладки, если их вообще можно так назвать, почти не перекрывают друг друга по сколь-нибудь значимой доле своих площадей, а значит практически никакого накопления энергии в диэлектрике между «обкладками» не происходит.
Если бы конструкцию не удерживали на столе тончайшие крепкие ниточки, она продолжила бы свое поступательное движение в направлении электрода из тонкой проволоки, но поскольку ниточки крепко держат изделие, оно просто зависает в воздухе над столом и как-бы левитирует над ним.
Этот эксперимент - наглядная демонстрация так называемого эффекта Бифельда-Брауна, известного многим экспериментаторам, любителям «лифтеров» (от англ. Lifter), чьи поделки в огромном разнообразии можно наблюдать на ютубе.
Эффект Бифельда-Брауна — это один из тех немногих физических эффектов, которые не так то просто однозначно объяснить и внятно описать даже сегодня. Фактически возле электрода-проволочки малой площади напряженность электрического поля в десятки раз превышает напряженность возле электрода-фольги большой площади.
Это значит, что на окружающее пространство данные «обкладки» воздействуют по-разному. В пространстве между электродами и около них имеет место сильно несимметричная картина постоянной во времени напряженности электрического поля.
Здесь есть, конечно, в качестве одной из составляющих, так называемый «ионный ветер», вклад которого, однако, в движение конструкции очень и очень мал, на «ионный ветер» приходится менее сотой доли всей тяги — менее 1% подъемной силы.
Ионного ветра хватает разве что на то, чтобы немного отклонить язычок пламени, как в школьном эксперименте с высоким напряжением на кончике иглы, поднесенной к зажженной свече. Это совсем мизерная сила, она не сможет даже приподнять фольгу от стола, не говоря уже о том, чтобы удерживать в подвешенном состоянии на натянутых нитях изделие весом в десятки и сотни грамм. Из 100 грамм тяги «ионный ветер» создает максимум 1 грамм.
Кроме того, 40% тяги при работе не в вакууме создает движение потока воздуха, возникающее вследствие эффекта коронного разряда на резкой грани в электрическом поле. На этом принципе уже сегодня работают электростатические безлопастные вентиляторы.
Возле тонкого электрода атомы воздуха ионизируются, и начинают двигаться в направлении широкого электрода, по пути они сталкиваются с другими молекулами воздуха, отдают им долю собственной кинетической энергии, или опять же ионизируют, и те поэтому ускоряются.
Вся соль эффекта в том, что около 49% тяги, как говорят ученые, имеют здесь неизвестную природу, то есть практически половина общей подъемной силы как-то связана с действием несимметричного электрического поля на окружающее пространство, и вообще не связана с величиной тока, создаваемого потоком ионов воздуха.
По всей вероятности речь идет о воздействии этой заряженной конструкции на гравитационное поле над электродом малой площади. Если убрать ниточки, которые удерживают изделие на столе, оно будет все время стремиться вверх — в сторону электрода малой площади.
На этом принципе, как предполагают российские ученые Эмиль Бикташев и Михаил Лавриненко, можно попробовать построить очень эффективный двигатель для космического аппарата. Эксперимент в вакууме подтвердил принципиальную возможность данной затеи.
