Weniger Verluste Abwärme von Computerchips direkt in Strom verwandeln

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Ein neu entwickeltes Material erlaubt es, dass die Wärme, die von einem Chip abgestrahlt wird, direkt zurückgewonnen werden kann, so Forscher vom IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik.

Forscher aus Deutschland, Italien und Großbritannien ist demnach ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung eines Materials gelungen, das die Energiezurückgewinnung direkt auf dem Computerchip möglich macht. Bei dieser Legierung aus Germanium und Zinn handelt es sich um ein sogenanntes thermoelektrisches Material, das geeignet sei, die Abwärme von Prozessoren in Elektrizität umzuwandeln. Weil alle Elemente aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems stammen, kann die neue Halbleiterlegierung leicht in den CMOS-Prozess der Chipfertigung integriert werden, wie die Beteiligten erklären. Warum das Ganze?

Energieverluste entsprechen Bedarf von Österreich plus Rumänien

Nun, der zunehmende Einsatz elektronischer Geräte in allen Lebensbereichen treibt natürlich auch den Energiebedarf in die Höhe. Aber ein Großteil dieser Energie wird als Abwärme ungenutzt in die Umwelt abgegeben. In Europa sollen so jährlich etwa 1,2 Exajoule aus IT-Infrastrukturen und Rechenzentren sowie Geräten wie Smart Devices für den Menschen ungenutzt verloren gehen – das sind über 333 Terawattstunden! Das entspricht in etwa dem Primärenergieverbrauch von Österreich oder Rumänien zusammen, wie die Forscher betonen. Diese Wärme (unter 80 °C) ist traditionell nur schwer nutzbar. Und zwar der schlechten thermodynamischen Effizienz und technischer Einschränkungen. Ideal wäre es folglich, diese Wärme auf niedrigem Temperaturniveau nutzbar zu machen.

Passende Materialien sind nicht mit der Chipherstellung kompatibel

Doch es gebe nur sehr wenige Materialien, die in der Lage sind, die Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Keines davon ist leider mit der aktuellen Technik in Halbleiterfertigungsanlagen kompatibel. Eine Kooperation zwischen dem Forschungszentrum Jülich und dem IHP, zusammen mit der Universität Pisa, der Universität Bologna in Italien und der Universität Leeds in Großbritannien, hat nun jedoch zu einem Meilenstein bei der Entwicklung eines solchen Materials geführt. Das neuartige Material ist für die Energiegewinnung auf Chips geeignet und, wie bereits erwähnt, auch noch mit dem CMOS-Prozess der Chipfertigung vereinbar.

„Energy Harvesting“ durch modifizierte Mikrochips

Fügt man aber zu den siliziumbasierten Chips Zinn (Sn) zu Germanium (Ge) hinzu, reduziert sich die thermische Leitfähigkeit erheblich, während die elektrischen Eigenschaften beibehalten werden – das ist eine ideale Kombination für thermoelektrische Anwendungen, heißt es. Die bisher experimentell bestätigte, niedrige thermische Leitfähigkeit des Kristallgitters unterstreiche das große Potenzial der Ge-Sn-Legierungen als thermoelektrisches Material. Die Idee dahinter ist, dass, Indem man die Elemente in die Mikrochips integriert, es möglich wird, die im Betrieb erzeugte Abwärme zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Das nennt man auch „Energy Harvesting“. Auf dem Chip könnte damit der Bedarf an externer Kühlung und Strom erheblich reduziert, und so die Effizienz elektronischer Geräte verbessert werden.

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