В современной энергетике, авиации и космосе даже пара процентов потерь в преобразователях тока оборачивается миллионами ватт бесполезного тепла. Чтобы решить эту проблему, исследователь МАИ Михаил Остапчук и его проект «77К» (прошедший акселератор «Большая разведка» в рамках ФП «Технологии») предлагают пересмотреть старую инженерную привычку. Вместо того чтобы просто отводить лишнее тепло кулерами, команда использует низкие и криогенные температуры (ниже −100 °C) для изменения самой физики электронных компонентов. Рассказываем, почему на морозе детали работают эффективнее и надежнее, чем в тепле, как эта идея пригодится на борту водородных лайнеров и орбитальных спутников и что мешает внедрить ее повсеместно уже сегодня.
Кто и почему охлаждает электронику до криогенных температур?
В сложных машинах — от спутника до электростанции — ток никогда не идет напрямую от батареи или генератора к движку. Между ними стоят так называемые преобразователи, которые управляют электричеством. Например, выпрямители делают ток из переменного постоянным, а инверторы — наоборот. Они также меняют напряжение и частоту. В основе этих устройств лежат силовые полупроводники — детали, которые работают как очень быстрые выключатели. Они открывают и закрывают цепи, управляя током.
При работе эти детали неизбежно греются. Часть энергии уходит на преодоление естественного сопротивления материалов. А еще часть энергии теряется в те моменты, когда выключатели быстро переключаются.
Оба процесса греют устройство. Чтобы оно не перегрелось, ставят кулеры и радиаторы. Но обычно охлаждение считают просто способом не дать детали перегреться, а не способом сделать саму деталь лучше. Между тем размер проблемы зависит от мощности. Даже если прибор работает очень эффективно (КПД 98%), оставшиеся 2% превращаются в потери. Для энергостанции мощностью 50 МВт это целый 1 МВт — эквивалент тысячи одновременно включенных домашних утюгов. Эта энергия не делает полезной работы и просто уходит в тепло, нагревая воздух. На больших электростанциях для отвода этого жара нужны огромные специальные системы.
Поэтому даже небольшое повышение эффективности электроники даст большой результат, если речь идет о машинах мощностью в десятки и сотни мегаватт.
В бытовых компьютерах охлаждение устроено похоже. Вентилятор охлаждает процессор, чтобы тот не перегрелся, не тормозил и работал в рамках привычной комнатной температуры. Но в случае с компьютерами есть и другое направление — экстремальный разгон процессоров и памяти с использованием кипящего жидкого азота (−196 °C). Это делается для того, чтобы достигать максимальных результатов по скорости вычислений — например, мировые рекорды частоты свыше 9 ГГц достигнуты именно с помощью такого охлаждения.
Результат достигается за счет того, что, когда температура падает, меняются физические свойства материалов, из которых сделаны детали. В зависимости от материала это может снизить потери, повысить эффективность и даже продлить срок службы детали.
И если оверклокеры (пользователи, которые занимается оверклокингом: разгоном — принудительным увеличением тактовой частоты и напряжения работы компьютерных комплектующих) стараются добиться максимальной производительности от потребительских процессоров, то команда проекта «77К» развивает эту концепцию для применения в промышленности.
Существует инженерная традиция, которая предполагает, что электроника лучше всего работает при комнатной температуре. Наша идея в том, что низкотемпературный диапазон более оптимален для функционирования некоторых компонентов, и это можно превратить в экономическую выгоду, — Михаил Остапчук.
Речь идет об оборудовании мощностью от киловатт до мегаватт, где низкотемпературное охлаждение способно снизить потери прямо внутри полупроводников.
Как это можно использовать в преобразовательной технике
Когда энтузиасты разгоняют процессоры, они гонятся за разовым рекордом и не считают затраты энергии, поэтому работа с жидким азотом там вполне оправдана. Но с мощными промышленными преобразователями всё иначе. Здесь на первый план выходят вопросы технической реализуемости и окупаемости, над которыми ведущие научные центры мира работают уже три-четыре десятилетия.
За это время удалось выяснить главное. Полупроводниковые ключи, созданные по разным технологиям, совершенно по-разному реагируют на глубокий холод. Всё зависит от материала и внутренней архитектуры прибора. У одних компонентов потери при охлаждении снижаются плавно и предсказуемо, тогда как у других зависимость оказывается куда сложнее. Особый интерес у инженеров вызывают полупроводники нового поколения на основе нитрида галлия (GaN). По данным исследований, на которые опирается Михаил Остапчук, потери в таких структурах монотонно падают вплоть до температуры кипения жидкого водорода — а это около 20 кельвинов, или −253 °C.
В традиционном кремнии физика процесса другая — потери в детали сначала снижаются, но затем выходят на плато, и дальнейшее охлаждение теряет энергетический смысл. Поэтому нельзя просто заморозить любой чип до предела. Для каждого типа полупроводников нужно подобрать свой оптимальный температурный режим, в котором прирост КПД не обернется потерей других важных характеристик. По сути, главная задача разработчиков как раз и состоит в том, чтобы определить, какие именно компоненты выгодно охлаждать, до каких температур и в каких режимах эксплуатации.
Многолетние наблюдения подтвердили, что целый класс компонентов на холоде улучшает все свои рабочие характеристики и вполне пригоден для внедрения в промышленные установки. Разумеется, от охлаждения устройство не начинает потреблять втрое меньше энергии из сети — оно просто перестает переводить заметную часть входной мощности в бесполезное тепло. Выигрыш при этом оказывается настолько ощутимым, что перекрывает даже затраты на весьма неэффективные способы охлаждения. Это подтверждают и собственные эксперименты группы МАИ. В лабораторных тестах потери проводимости в открытых транзисторах снижались до 60%, а потери при переключении и на диодах падали на величину до 90%.
Впрочем, экономическая целесообразность в инженерии не сводится к одному только КПД. Не менее важен ресурс оборудования, ведь даже самое энергоэффективное решение никому не нужно, если оно выйдет из строя через месяц. Долгое время опасались за механическую прочность деталей. Внутри любого транзистора находятся разнородные материалы — полупроводниковый кристалл, медная подложка, слой припоя и тонкие алюминиевые выводы. На морозе все они сжимаются по-разному, и казалось, что от постоянных перепадов температур конструкция должна быстро разрушаться.
Именно этой проблеме посвящены недавние исследования команды МАИ. Компьютерное моделирование и ресурсные испытания под высокими токовыми перегрузками в жидком азоте показали, что с учетом низкотемпературной механики материалов надежность промышленных компонентов не падает, а наоборот, растет. При глубоком охлаждении тепло распределяется по кристаллу гораздо равномернее, без опасных локальных перегревов, а процессы усталостного разрушения в паяных швах существенно замедляются. Всё это говорит о том, что технология переросла стадию чисто научных экспериментов и готова к проверке в реальной индустрии.
От авиационного прототипа к самолетам будущего
Идея охлаждать бортовую электронику сверхнизкими температурами родилась в авиации не случайно. Традиционные системы воздушного и жидкостного охлаждения постепенно упираются в физический потолок. Для перспективных электрических и гибридных самолетов требуется отводить по 25–30 кВт тепла с каждого килограмма аппаратуры, а обычные радиаторы при таких мощностях окажутся тяжелее самого лайнера.
Решением стала синергия с криогенным топливом. Сама по себе водородная авиация — направление с богатой историей: еще в 1988 году свой первый полет на жидком водороде совершил советский экспериментальный самолет Ту-155, созданный на базе серийного Ту-154, что доказало саму возможность использования такого горючего в небе. Сегодня интерес к этой теме в мире переживает новый подъем. Европейский концерн Airbus разрабатывает линейку водородных пассажирских лайнеров ZEROe, рассчитанных на перевозку от 100 до 200 и более человек. В США беспилотниками вертикального взлета на жидком водороде занимается агентство DARPA в рамках проекта ARES, а фонд ARPA-E финансирует создание криогенных силовых установок по программе ASCEND. Аналогичные разработки ведут в NASA и исследовательских центрах Китая. Во всех этих проектах сжиженный газ рассматривается не только как экологичное топливо, но и как штатный источник глубокого холода для силовой электроники самолета.
Именно для такого перспективного водородного транспорта в МАИ еще в 2021 году создали первый экспериментальный образец — авиационный корректор коэффициента мощности с низкотемпературным охлаждением. Схемотехнически он представлял собой классический авиационный преобразователь, спроектированный под комнатную температуру, но оснащенный алюминиевыми радиаторами для прокачки жидкого азота. Подробное исследование этой установки легло в основу кандидатской диссертации сотрудника МАИ Алексея Алексеева с акцентом на нормальный температурный диапазон.
Как организовать охлаждение
Сам по себе эффект от холода еще не гарантирует выгоды. Если для поддержания низкой температуры требуется слишком много энергии, часть выигрыша просто потеряется. Возить за собой отдельный холодильник ради охлаждения транзисторов бессмысленно, потому что холодильная машина потратит больше электричества, чем сэкономит полупроводник. В авиации такое оборудование к тому же увеличит массу и усложнит конструкцию. Поэтому технология имеет смысл только там, где холод достается системе без дополнительных затрат.
В лаборатории для тестов используют жидкий азот, который кипит при −196 °C. В будущих водородных самолетах охладителями может служить само топливо. Жидкий водород хранится на борту при температуре около −253 °C, но перед подачей в топливный элемент или камеру сгорания его всё равно необходимо нагреть и перевести в газообразное состояние. Тепло, которое отводится от силовой электроники, как раз и можно пустить на этот подогрев.
Впрочем, водородные самолеты слишком далекая перспектива, а частный космос тема сегодняшнего дня. В этой отрасли уже появился коммерческий спрос, а борьба на орбите идет за каждый лишний ватт мощности и каждый грамм оборудования. В небольших спутниках вроде CubeSat эта задача стоит особенно остро. Такие аппараты становятся всё более насыщенными электроникой, и системы связи, управления, обработки данных и распределения энергии требуют высокой надежности и эффективности при крошечных размерах.
Космический аппарат не может воспользоваться жидким азотом или водородом так же, как самолет. В атмосфере тепло отводят с помощью воздуха, а в космосе привычная конвекция не работает. Тепло там приходится передавать через конструкцию самого аппарата и излучать в окружающее пространство. Для этого на спутниках используют пассивные радиаторы-излучатели. В зависимости от конструкции и условий полета такие радиаторы на теневой стороне корпуса позволяют остудить приборы до −100 °C и ниже. О настоящих криогенных температурах (условно ниже −150 °C) речь в космосе пока не идет, но даже такой минус серьезно меняет работу полупроводников.
Переносить тепло от электроники к теневым радиаторам помогают низкотемпературные тепловые трубки. Внутри них циркулируют аммиак, пропилен, ацетон или спирты. Очень хорошо такая схема подходит для спутников с мощными радарами, которые зондируют Землю. Если вывести такой аппарат на орбиту вдоль границы дня и ночи, его солнечные батареи будут всегда повернуты к Солнцу, а радиаторы на обратной стороне корпуса останутся в постоянной тени и будут отдавать тепло в космос.
Потенциальный выигрыш для спутника можно легко перевести в цифры. В российском коммерческом космосе из-за жестких ограничений по весу и габаритам нормальным КПД для преобразователя считается уровень в 85%. Если за счет охлаждения до −100 °C снизить внутренние потери прибора наполовину (а это реально исходя из тестов), общий КПД вырастет до 92,5%.
Чтобы стал понятен масштаб этих процентов для современной техники, Михаил Остапчук вспоминает недавний рекорд из двигателестроения. В 2024 году китайский концерн Weichai Power сумел поднять КПД дизельного двигателя с 52,28% до 53,09%. За этот неполный процент сотни докторов наук и тысячи инженеров бились полтора года. На этом фоне возможность сразу прибавить 7,5 процентных пункта в космической электронике выглядит огромным шагом вперед.
Разумеется, пока это направление разработки, а не готовое космическое изделие с подтвержденными характеристиками. Для спутника нужно спроектировать собственную систему отвода тепла, которая учтет его орбиту, ориентацию в пространстве и доступную площадь стенок под радиаторы. Кроме того, полупроводники, соединения и корпуса должны выдерживать многократные перепады температур и сохранять свои свойства в течение всего срока службы. Важно и то, что результаты испытаний отдельного транзистора нельзя автоматически переносить на преобразователь, а характеристики преобразователя на стенде — на целый спутник. Поэтому проекту предстоит пройти путь от подтверждения физических эффектов к созданию законченных устройств и их испытаниям в условиях, близких к реальному космосу.
Перспективы коммерциализации проекта
Исследования стали для Михаила Остапчука основой стартапа «77К» — название отсылает к 77 кельвинам, температуре кипения жидкого азота. Команда планирует оформить интеллектуальную собственность на свои решения и довести лабораторный прототип до готовых промышленных устройств.
Сейчас проект привлекает инвестиции, что для российского рынка наукоемких технологий непростая задача. Частные инвесторы ждут быстрой окупаемости и опасаются вкладываться в аппаратные разработки с долгим циклом, а государство по инерции делает ставку на госкорпорации. Жаловаться на это исследователь считает бессмысленным, предпочитая работать и пробиваться. И усилия уже приносят первые плоды, так как у проекта уже есть подписанное пилотное соглашение с заказчиком и первые согласованные инвестиции, закрывающие часть раунда. Сейчас разработчики ищут партнеров на оставшуюся сумму и приглашают заинтересованных лиц к диалогу.
Комментарии 0