Energi
Selamat Tinggal, Refrigeran! Wawasan Baru tentang Pendinginan Solid-State Dapat Mengubah Cara Kita Menangani Kebutuhan Termal dalam Elektronik
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Refrigeran telah menjadi salah satu fitur paling menentukan dalam dunia teknologi modern kita. Karena refrigeran, kita dapat mengawetkan makanan, memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain, dan membuat barang mudah rusak dapat digunakan untuk konsumsi dalam jangka waktu yang lebih lama.
Pasar produk refrigeran sedang tumbuh dan akan terus tumbuh, menurut perkiraan pasar. Data yang tersedia menunjukkan bahwa nilai total produk refrigeran di seluruh dunia adalah 20,05 miliar dolar AS pada tahun 2022, dan dapat naik menjadi 36,77 miliar dolar AS pada tahun 2030, lebih dari 1,8 kali dalam delapan tahun.
Namun, pertumbuhan pasar refrigeran tidak menunjukkan bahwa industri menjadi stagnan. Faktanya, peningkatan penjualan dan ekspansi pasar tidak menghalangi inovasi. Sebaliknya, pertumbuhan ini sering mendorong pengembangan teknologi dan pendekatan baru. Upaya riset terbaru yang dipimpin oleh Oak Ridge National Laboratory milik Departemen Energi telah menghasilkan pemahaman ilmiah baru yang dapat membantu mewujudkan pendinginan solid-state.
Dalam segmen berikutnya, kami akan menyelami fenomena ini lebih dalam.
Paradigma Transformasional Pendinginan Solid-State
Pencapaian utama tim peneliti adalah menjembatani kesenjangan pengetahuan dalam ilmu gerakan panas pada skala atom. Pada tingkat yang lebih fungsional, keberhasilan riset bergantung pada pemahaman yang lebih dalam tentang material dan perangkat.
Materialnya, dalam hal ini, adalah paduan memori bentuk magnetik nikel-kobalt-mangan-indium yang dapat dideformasi dan kemudian kembali ke bentuk semula dengan menggerakkannya melalui transisi fase baik dengan meningkatkan suhu maupun dengan menerapkan medan magnet.
Perangkatnya, di sisi lain, terdiri dari rangkaian instrumen hamburan neutron yang dapat memeriksa material pada skala atom.
Bagaimana Material Ini Muncul Sebagai Kandidat Optimal untuk Pendinginan Solid-State
Eksperimen menunjukkan bahwa paduan memori bentuk magnetik nikel-kobalt-mangan-indium dapat didorong melalui transisi fase dengan meningkatkan suhu atau menerapkan medan magnet.
Ketika dikenai medan magnet, material mengalami transisi fase struktural dan magnetik: ia menyerap dan melepaskan panas, dalam istilah sederhana. Efek ini menjadi inti fenomena pendinginan solid-state. Dengan kata lain, pendinginan solid-state memanfaatkan efek ini untuk memberikan pendinginan.
Dalam mekanisme pendinginan ini, material mencapai apa yang disebut keadaan kaca ferroik, yang meningkatkan kemampuannya menyimpan dan melepaskan panas.
Saat menjelaskan ilmu di balik eksperimen, Michael Manley, peneliti senior di grup Hamburan Neutron dan Sinar-X di ORNL, mengatakan:
“Hamburan neutron menunjukkan bahwa kapasitas pendinginan paduan memori bentuk magnetik ditiga‑lipat oleh panas yang terkandung dalam mode hibrida magnon‑fonon lokal yang terbentuk karena ketidakteraturan dalam sistem. Temuan ini membuka jalur untuk membuat material yang lebih baik bagi aplikasi pendinginan solid-state demi kebutuhan masyarakat.”
Mode Hibrida Magnon-Fonon
Magnon dan fonon juga dikenal sebagai gelombang spin dan getaran. Mereka berpasangan dalam material dalam tarian sinkron di wilayah‑wilayah kecil yang tersebar di seluruh susunan atom yang tidak teratur. Pola perilaku regional mode hibrida magnon‑fonon memiliki implikasi penting bagi sifat termal material.
Menjelaskan implikasi mode hibrida ini dan pergerakannya, Manley menambahkan:
“Interaksi jangka panjang dan pendek muncul sebagai getaran terlokalisasi dan gelombang spin, yang berarti mereka terperangkap di wilayah‑wilayah kecil. Ini penting karena keadaan getaran terlokalisasi tambahan ini menyimpan panas. Mengubah medan magnet memicu transisi fase lain di mana panas ini dilepaskan.”
Secara keseluruhan, eksperimen membuka frontier baru dalam riset pendinginan solid-state dengan menunjukkan bahwa kontrol yang tepat atas fungsi paduan memori bentuk magnetik dapat menjadikannya spons panas dan mempersiapkannya untuk pendinginan solid-state yang efisien tanpa memerlukan refrigeran tradisional atau komponen mekanik.
Meskipun riset ini jelas merupakan terobosan, kita harus selalu ingat bahwa pendinginan solid-state bukan fenomena baru. Secara teoretis, fenomena ini telah ada sejak 1834, ketika fisikawan Prancis Jean Charles Athanase Peltier menemukan efek Peltier.
Dalam segmen berikutnya, kami secara singkat meninjau fenomena Efek Peltier dan Pendingin Termoelektrik yang memanfaatkan efek Peltier.
Asal Mula Pendinginan Solid State dan Pendingin Termoelektrik
Secara ilmiah, efek Peltier didefinisikan sebagai “fenomena di mana konduktor, yang dipertahankan pada suhu konstan dan dengan arus listrik mengalir melaluinya, mengalami generasi arus termal. Arus termal ini membantu membawa panas yang dihasilkan oleh arus listrik.”
Dengan kata lain, efek Peltier muncul dari situasi di mana arus listrik yang mengalir melalui sambungan yang menghubungkan dua material memancarkan atau menyerap panas per satuan waktu pada sambungan untuk menyeimbangkan perbedaan potensial kimia kedua material tersebut. T
Efek Peltier membantu merumuskan lemari es elektronik yang dikenal sebagai pendingin Peltier. Perangkat Peltier juga dikenal sebagai pendingin termoelektrik yang terdiri dari rangkaian material semikonduktor, terbuat dari bismut tellurida, terhubung secara seri dan diselipkan di antara dua pelat keramik.
Dengan arus searah yang mengalir melalui TEC, elektron dalam material semikonduktor bergerak dari sisi panas ke sisi dingin, membawa panas bersamanya dan menyebabkan satu sisi perangkat mendingin sementara sisi lainnya memanas.
Alasan mengapa komunitas ilmiah masih memperdebatkan fenomena pendinginan solid-state dan tertarik untuk mengeksplorasinya adalah karena ia memiliki banyak manfaat dan aplikasi nyata. Kami akan meninjau keuntungan dan aplikasi ini dalam segmen berikutnya.
Berbagai Manfaat dan Aplikasi Pendinginan Solid-State
Pendinginan solid-state dapat menjadi lebih efisien energi dibandingkan sistem pendinginan konvensional karena mereka mampu mengubah persentase energi listrik yang lebih tinggi menjadi daya pendinginan.
Mereka juga lebih kompatibel untuk integrasi dengan sumber energi terbarukan, termasuk panel surya. Selain memiliki jejak karbon yang rendah, pendinginan solid-state tidak berkontribusi pada penipisan ozon dan oleh karena itu lebih ramah lingkungan dibandingkan teknologi pendinginan berbasis refrigeran atau cairan lainnya.
Pendinginan solid-state juga memperoleh nilai tinggi dalam aspek keandalan dan daya tahan. Karena mereka tidak memiliki bagian bergerak atau cairan yang bersirkulasi, mereka mengalami kegagalan mekanis lebih sedikit dan memerlukan perawatan yang lebih sedikit. Banyak peralatan konsumen dapat memanfaatkan teknologi pendinginan solid-state.
Beberapa contoh peralatan tersebut termasuk kulkas, pendingin ruangan, atau pendingin anggur. Ada peningkatan diskusi tentang cara menggunakan pendinginan solid-state dalam kendaraan listrik dan hibrida untuk mendinginkan baterai serta komponen lainnya. Hal ini dapat berkontribusi pada peningkatan kinerja dan jangkauan.
Mekanisme pendinginan solid-state juga dianggap cocok sebagai sistem pendinginan kabin alternatif pada kendaraan modern. Sebuah studi ilmiah meneliti kelayakan sistem pendingin udara otomotif yang memanfaatkan pendinginan solid-state. Hasil menunjukkan bahwa penerapan perangkat pendingin TE kecil dan fleksibel memberikan lebih banyak kemungkinan untuk sistem pendingin udara otomotif yang efisien.
Studi tersebut juga menyelidiki profil kecepatan dan suhu dari pendinginan TE terlokalisasi yang dibangun untuk kenyamanan manusia yang lebih baik dengan menyediakan aliran udara seragam di kabin. Sebuah perkiraan peningkatan hampir 9% diperoleh ketika pengaturan ini dibandingkan dengan sistem refrigerasi konvensional terkait kenyamanan manusia.
Banyak manfaat dan aplikasi pendinginan solid-state telah menginspirasi perusahaan untuk berinvestasi dalam riset dan sumber daya pada teknik serta metode pendinginan solid-state.
Dalam segmen berikutnya, kami akan membahas beberapa perusahaan tersebut dan solusi spesifik mereka.
#1. CUI Devices
CUI Devices dikenal karena rangkaian perangkat Peltier-nya. Mereka menawarkan portofolio modul Peltier satu‑tahap, modul Peltier multi‑tahap, dan unit pendingin Peltier.
Unit pendingin Peltier CPM-2F 6.0 Amp, misalnya, dilengkapi dengan struktur segel yang ditingkatkan untuk ketahanan air dan penyerapan stres termal. Ia dapat dipasang dengan mudah dan sangat cocok untuk kebutuhan aplikasi industri ber‑densitas tinggi, ber‑daya tinggi, serta pendinginan.
Perusahaan juga memiliki dua varian lagi, CPM-2C dan CPM-2H, yang menawarkan layanan optimal pada skala 7 dan 8,5 Amp, masing‑masing.
Jika kita melihat profil produk keseluruhan CUI Devices di bidang ini, mereka menyediakan beragam modul Peltier satu‑tahap dan multi‑tahap serta unit pendingin Peltier, dengan ukuran dari 3,4 hingga 70 mm dan profil setipis 1,95 mm dan rating arus dari 0,7 hingga 20 A serta delta suhu dari 70 hingga 105 °C. Perusahaan menonjolkan keandalan produk yang ditingkatkan, kinerja superior, dan umur siklus yang lebih lama.
CUI Devices, berkantor pusat di Tualatin, Oregon, Amerika Serikat, adalah produsen komponen elektronik yang menawarkan solusi interkoneksi, audio, manajemen termal, gerakan, dan sensor. Pada Oktober 2023, grup manajemen termal CUI Devices meluncurkan sebuah layanan desain termal untuk mengidentifikasi hotspot potensial, mengoptimalkan aliran udara, dan merancang sistem pendinginan yang efektif sesuai kebutuhan spesifik pelanggan.
#2. Coherent Corp
Sistem pendinginan Coherent Corp (COHR ) menawarkan berbagai solusi industri dan telekom, termasuk format standar dan kustom, semuanya dibangun di sekitar “Core” umum yang berbasis pada perangkat TEC yang efisien. Selain perangkat TEC, inti ini juga mengintegrasikan heat/cold sink, termistor/RTD, dan harness kabel.
Salah satu produk teknologi pendinginan solid-state paling terkenal dari Coherent adalah sistem pendingin udara‑ke‑udara Climatherm (CTA). Berdasarkan teknologi pendinginan TEC solid-state perusahaan, solusi ini melindungi elektronik pelanggan dari kondisi ekstrem dengan daya pendinginan hingga 250 W dalam paket yang ringan dan kompak.
Pendingin produk ini memiliki desain kompak, ringan, dan memenuhi standar RoHS UE, serta memberikan transfer panas yang sangat efisien. Aplikasi tipikal meliputi pendinginan enclosure elektronik, penyimpanan makanan dan minuman, pendinginan kabinet baterai, dan instrumen laboratorium.
COHR Grafik Harga
Menurut catatan keuangan terbaru yang tersedia, perusahaan mencatat pendapatan tahunan sebesar US$5,16 miliar untuk tahun yang berakhir pada 30 Juni 2023. Ini merupakan peningkatan signifikan dibandingkan catatan tahun sebelumnya sebesar US$3,317 miliar untuk tahun yang berakhir pada 30 Juni 2022.
Masa Depan Pendinginan Solid-State
Secara singkat, masa depan pendinginan solid-state tampak menjanjikan tanpa keraguan. Komunitas ilmiah dan teknologi komersial di seluruh dunia telah menyadari potensinya sebagai sesuatu yang dapat menghadapi tantangan pemanasan global dan perubahan iklim secara langsung.
Selain nama‑nama yang sudah berpengalaman dan mapan, perusahaan inovatif seperti Phononic telah muncul. Pendinginan, refrigerasi, dan inovasi HVAC solid-state mereka menggunakan hanya air yang dicampur dengan CO₂ alami, dengan GWP hanya 1, memberikan peringkat GWP terendah di industri. Di sini, GWP berarti Potensi Pemanasan Global.
Phononic percaya bahwa desain solid-state mereka berpotensi menjadi cara baru yang menarik untuk mengurangi emisi gas rumah kaca, mendukung tujuan iklim PBB, dan memenuhi kebutuhan kinerja pasar yang menuntut.
Namun, ada beberapa tantangan yang harus diatasi oleh Pendinginan Solid-State agar dapat secara efisien memenuhi kebutuhan termal dalam elektronik di masa depan. Ia harus menjadi terjangkau, karena biaya material termoelektrik dapat secara signifikan lebih tinggi dibandingkan sistem pendinginan tradisional. Peneliti harus bekerja lebih agresif dan cepat dalam mengeksplorasi material alternatif serta proses manufaktur yang lebih hemat biaya untuk menyelesaikan tantangan ini.
Meningkatkan produksi dengan pendinginan solid-state di inti juga akan menghadapi tantangan efisiensi karena material termoelektrik masih tertinggal dibandingkan sistem kompresi uap tradisional dalam aplikasi tertentu. Ilmuwan harus melakukan pengujian lebih intensif untuk menemukan cara meningkatkan efisiensi material termoelektrik.
Akhirnya, sistem pendinginan solid-state harus meningkatkan profil manajemen termalnya sehingga dapat secara efisien membuang panas yang dihasilkan pada sisi panas pendingin termoelektrik. Hal ini penting untuk mempertahankan kinerja optimal sistem.
Secara global, peneliti telah menyadari manfaat pendinginan solid-state. Mereka sedang menyelidiki material baru dan teknik peningkatan kinerja. Mudah‑mudahan, kami akan segera melihat adopsi lebih luas dari pendinginan solid-state dalam kasus penggunaan industri dan komersial.
