Thermaldiode

Mit Hitze betriebene Rechner für deutlich höhere Betriebstemperaturen

21.04.17 | Autor: Sebastian Gerstl

Die von den Ingenieuren Sidy Ndao und Mahmoud Elzouka am University of Nebraska-Lincoln College of Engineering entwickelte „Thermaldiode“ soll bei Rechenarbeiten anfallende Abwärme direkt in Energie umwandeln, um so als alternative Energiequelle für Computer zu dienen und schnelle Rechenarbeiten auch bei hohen Betriebstemperaturen zu gewährleisten.
Die von den Ingenieuren Sidy Ndao und Mahmoud Elzouka am University of Nebraska-Lincoln College of Engineering entwickelte „Thermaldiode“ soll bei Rechenarbeiten anfallende Abwärme direkt in Energie umwandeln, um so als alternative Energiequelle für Computer zu dienen und schnelle Rechenarbeiten auch bei hohen Betriebstemperaturen zu gewährleisten. (Bild: Karl Vogel | University of Nebraska-Lincoln Engineering)

Wärme gilt im Allgemeinen als einer der größten Feinde von Computern. Generell galt es für Prozessoren immer, effiziente Wege zur Kühlung zu finden. Zwei Forscher haben die Problematik nun umgekehrt: Sie nutzen Wärme als alternative Energiequelle, um die Elektronik des Rechners zu betreiben.

Schon seit der Entwicklung der ersten Computer war es immer ein vorrangiges Ziel, die Rechner auf eine angemessene Betriebstemperatur herunterzukühlen, um sie vor Fehlern, Verlangsamung oder gar einer kompletten Notabschaltung durch Überhitzen zu schützen.

Statt allerdings die Hitze als ein Übel zu bekämpfen, arbeiten zwei angehende Ingenieure der University of Nebraska-Lincoln an der Möglichkeit, Wärme als eine alternative Energiequelle für Computer zu nutzen. Dies würde Rechnern fehlerfreie, effiziente Arbeitsabläufe auch bei hohen Betriebstemperaturen ermöglichen. Ermöglichen soll dies eine sogenannte „nano-thermal-mechanischen“ Gerätschaft, von den Entwicklern auch einfach als „Thermaldiode“ bezeichnet.

Prinzipiell „sollte all das, was man mit Elektrizität möglich ist, auch mit Hitze machbar sein, denn sie sind sich in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich,“ erläutert Sidy Ndao, assistant professor of mechanical and materials engineering am University of Nebraska-Lincoln College of Engineering und einer der beiden Entwickler der Thermaldiode. „Im Prinzip sind beides Energieträger. Wenn man Hitze entsprechend kontrollieren könnte, könnte man diese Nutzen, um damit Computing zu betreiben, was das Problem des Überhitzens lösen würde.“

In einem Paper, das Ndao und Co-Autor Mahmoud Elzouka in der Märzausgabe der Scientific Reports vorgestellt haben, wird die Funktionsweise näher ausgeführt. Darin legen die Forscher dar, dass ihre Thermaldiode auch bei Temperaturen von bis zu 630° Fahrenheit (ca 333° Celsius) angemessen funktioniert. Nach Ansicht der Forscher wäre auch ein Temperaturbereich von bis zu 1300° Fahrenheit (etwa 700° Celsius) denkbar.

„Im Grunde genommen schaffen wir so einen thermalen Rechner,“ sagt Ndao, „Das würde uns erlauben, Berechnungen und Datenverarbeitungen auch an Orten durchzuführen, wo dies bislang [aufgrund extremer Bedingungen] noch nie möglich war.“ Zudem könnte die Technologie dabei helfen, Energieverschwendung einzugrenzen: Wie Ndao ausführt werden allein in den Vereinigten Staaten bis zu 60% der für Konsum generierten Energie durch Abwärme vergeudet. Wenn diese generierte Hitze statt dessen Rechnern als Energiequelle wieder zugeführt werden könnte, würde das Energieverschwendung enorm reduzieren und somit im Rechenbetrieb deutlich Kosten sparen.

Ndao und Elzouka befinden sich mit ihrer Entwicklung noch in einem extrem frühen Stadium. Bislang haben die Forscher nur das grundlegende Funktionsprinzip experimentell bestätigt. In den nächsten Entwicklungsstadien möchten die Ingenieure nun einen auf der Thermaldiode basierenden Rechner bauen, der auch in den angestrebten hohen Tempearturbereichen arbeitet. „Wenn wir eine hohe Effizienz erreichen, demonstrieren, dass auch Rechenarbeiten möglich sind, und ein experimentelles Logiksystem aufbauen können, dann haben wir auch ein Proof-of-Concept“, erläutert Elzouka. „Ab dann können wir an die Zukunft denken.“ Ihm schwebten dabei Anwendungsfelder wie Weltallforschung oder Forschungen nahe des Erdkerns vor – wie auch eine deutlich energieeffizientere Arbeitswelt.

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