Raue Oberflächen kühlen Computerchips besser

Cambridge (USA) – Mit rauen Prozessoroberflächen könnten Serverfarmen viel Energie sparen. Statt zahlreiche Lüfter rotieren zu lassen, muss die Abwärme der hoch getakteten Computerchips über verdampfende Flüssigkeiten wie beispielsweise Wasser abgeführt werden. Dieser Wärmetransport ließe sich über die Struktur einer Chipoberfläche noch deutlich steigern, fanden nun Physiker heraus. Ihre experimentellen und theoretischen Analysen präsentierten sie nun im Fachblatt „Applied Physics Letters“. Neben den Serverfarmen sehen die Forscher auch die Betreiber von Kraftwerken oder Entsalzungsanlagen als mögliche Anwender ihrer Entdeckung.

Verschiedene Oberflächen unter dem Mikroskop. Zu sehen sind kleine, regelmäßig angeordnete Zylinder, die mal mehr und mal weniger dicht nebeneinander sind. Die Größenordnung liegt im Mikrometerbereich.
Strukturierte Oberflächen

„Wärmetransport ist ein großes Problem in vielen Gebieten“, sagt Evelyn Wang vom Massachusetts Institute of Technology im US-amerikanischen Cambridge (MIT). Daher untersuchte sie mit ihren Kollegen sehr genau, wie verdampfende Flüssigkeiten besser für eine Kühlung eingesetzt werden können. Mit lithografischen Methoden bearbeiteten sie die Oberflächen von mehreren Siliziumproben. So schufen sie symmetrische, Mikrometer bis Nanometer kleine Strukturen und beobachteten, wie an diesen die Blasen kochender Flüssigkeiten aufstiegen.

Je mehr Bewegung die verdampfenden Flüssigkeiten zeigten, desto besser konnten sie Wärme von der Silizium-Probe ableiten. Dieser Kühleffekt verbesserte sich deutlich mit der Rauigkeit der Oberfläche und konnte um ein Vielfaches effizienter ablaufen als bei glatten Flächen. Verantwortlich dafür ist ein komplexes Wechselspiel zwischen Oberflächenspannung und Auftrieb, das die Forscher parallel auch mit theoretischen Modellen erklären konnten. Je rauer eine Oberfläche war, desto eher wurde auch eine dünne Dampfschicht vermieden, die einen effizienten Wärmetransport blockieren könnte.

Wang und Kollegen gehen davon aus, dass ihre Analysen nicht nur für Wasser, sondern prinzipiell für alle verdampfenden Flüssigkeiten gelten. So könnten nicht nur die Chipproduzenten mit raueren Oberflächen stromsparende Anlagen bauen. Auch in Kraftwerken oder Entsalzungsanlagen, deren Wirkungsgrad wesentlich vom Wärmetransport abhängt, würden laut Wang optimal strukturierte Oberflächen die Effizienz steigern können.