Un professeur utilise des rayons plasma pour refroidir les composants électroniques embarqués de l'US Air Force

Tom Cogill/UVA

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Des chercheurs de l’Université de Virginie ont découvert un moyen de refroidir les composants électroniques haut de gamme des avions militaires à l’aide de rayons plasma. L'équipe dirigée par Patrick Hopkins, professeur de génie mécanique et aérospatial à l'université, est en train de transformer la science-fiction en réalité grâce à ses travaux, indique un communiqué de presse.

Avec les progrès technologiques croissants, les équipements militaires sont également dotés d’électronique haut de gamme. Les marines du monde entier utilisent de l’eau dans leurs systèmes de refroidissement, tandis que l’air dense permet de refroidir rapidement les équipements sur Terre.

Pour l’Armée de l’Air, cependant, cela représente un défi en raison de la rareté de l’air dans lequel elle opère. Les couches supérieures de l’atmosphère ne disposent pas de beaucoup d’air pour faciliter le refroidissement et les avions ne peuvent pas transporter le poids supplémentaire des liquides de refroidissement à bord. L'équipe de Hopkins a trouvé une solution légère et pratique au problème : l'utilisation du plasma.

Le plasma, le quatrième état de la matière, est créé lorsque les gaz sont dynamisés. Dans cet état, les électrons de l’élément gazeux quittent leurs orbites nucléaires et la matière peut libérer des photons, des ions, voire des électrons dans un flux. Ceux-ci peuvent être visualisés sous la forme d’un rayon ou d’un éclair.

Il y a quelques années, Hopkins et son collaborateur du laboratoire de recherche de la marine américaine, Scott Walton, ont fait une découverte surprenante. Lorsqu’ils ont tiré un jet violet de plasma créé à l’aide d’hélium sur une surface plaquée or, ils ont constaté qu’il refroidissait d’abord l’objet avant de le réchauffer. Ce phénomène n’a jamais été observé auparavant et les chercheurs ont dû répéter leurs expériences à plusieurs reprises pour confirmer que leurs observations étaient bien exactes.

Après leurs multiples observations, les chercheurs ont déterminé que le refroidissement était probablement le résultat de l’explosion d’une couche superficielle ultra-mince de molécules d’eau et de carbone difficile à voir mais qui existait à la surface de l’objet. Tout comme la transpiration sur notre peau qui utilise l’énergie de notre corps pour s’évaporer et refroidir le corps, cette couche de molécules utilise l’énergie du plasma pour refroidir l’objet.

Tom Cogill/UVA

Hopkins envisage que ce refroidissement instantané pourrait être déployé dans des avions où un bras robotique pourrait entrer en action au-dessus des zones où les températures augmentent et les refroidir instantanément avec de courtes rafales de rayons plasma. Cela constituerait une amélioration majeure par rapport à la « plaque froide » actuellement utilisée pour évacuer la chaleur des composants électroniques dans les applications aériennes et spatiales.

L'US Air Force aime le concept et a accordé à l'équipe de Hopkin du laboratoire d'expériences et de simulations en génie thermique (ExSITE) une subvention de 750 000 $ sur trois ans pour le faire avancer. En outre, l’équipe construira également un prototype par l’intermédiaire de sa société dérivée, Laser Thermal.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue ACS Nano.

Abstrait:

Les interactions couplées entre les porteurs fondamentaux de charge, de chaleur et de champs électromagnétiques aux interfaces et aux frontières donnent naissance à des processus énergétiques qui permettent un large éventail de technologies. La transduction d'énergie entre ces porteurs couplés entraîne une dissipation thermique au niveau de ces surfaces, souvent quantifiée par la résistance thermique limite, conduisant ainsi aux fonctionnalités des nanotechnologies modernes qui continuent d'apporter des avantages transformationnels dans les domaines de l'informatique, de la communication, des soins de santé, de l'énergie propre, de l'énergie. le recyclage, la détection et la fabrication, pour n'en nommer que quelques-uns. L'objectif de cette revue est de résumer les travaux récents qui ont été rapportés sur les mécanismes de transduction d'énergie et de transfert de chaleur ultrarapides et à l'échelle nanométrique entre les interfaces lorsque différents porteurs thermiques se couplent à proximité ou à travers les interfaces. Nous passons en revue les mécanismes de transfert de chaleur couplés aux interfaces de solides, de liquides, de gaz et de plasmas qui déterminent le transfert de chaleur interfacial et les gradients de température dus au couplage d'énergie et de quantité de mouvement entre diverses combinaisons d'électrons, de vibrons, de photons et de polaritons (polaritons de plasmons et polaritons de phonons). ), et les molécules. Ces processus de transport thermique interfacial avec des vecteurs énergétiques couplés impliquent des recherches relativement récentes et il existe donc plusieurs opportunités pour développer davantage ces domaines naissants, que nous commentons tout au long de cette revue.