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Es klingt wie ein Märchen: direkte Umwandlung der Prozessor-Abwärme
in elekt. Energie. Investoren aus der ganzen Welt verhielten sich
wie Wespen die eine Melone befliegen, sobald die phantastischen
Nachrichten darüber zu Tage rückten, dass die Firma ENECO
eine Komponente entwickelte, welche sich auf beliebige Rechnerchips
anwenden lässt und welche die Konvektion der Abwärme der
Chips zur Rückgewinnung elektrischer Energie
durchführt. In den Firmenunterlagen spricht man von einer
„thermionischen Energieumsetzung“.
Server und Abwärme
Die Wärme, die vom Prozessor hauptsächlich in konzentrierter
Form in den Serverräumen und Datenzentren generiert wird, ist
nur ein „schädlicher Abfall“. Dieser Abfall muss
kompliziert abgeleitet werden, also genauer für den Preis des
Verbrauchs einer weiteren teuren Energie abgeleitet und in die äußere
Umgebung zerstreut werden. Zunächst vom Chip aus in den Raum um
ihn herum, weiter durch einen Ventilator aus dem Computerinneren in
den Serverraum und von hier aus weiterer unvollkommener Wärmeübergabe
von Klimatisierungseinheiten in den äußeren Raum
ausserhalb des Serverraums. Diese Abwärme könnte jedoch
eine Quelle wertvoller Elektroenergie werden. Anstatt eines weiteren
Energieverbrauchs zur Kühlung, vermindert sich vielmehr der
Energieverbrauch nicht nur dadurch, dass weniger als die Hälfte
Abwärme erzeugt wird, sondern darüber hinaus noch ein
größerer Teil der ursprünglichen Abwärme in
Elektroenergie umgewandelt wird. Diese Energie kann wiederum zur Versorgung der Telehouseeinrichtung genutzt werden.
Wie funktioniert das ganze?
Wärme ist eine der Grundformen der Energie, sie ist überall um uns.
Gewissermaßen intuitiv wissen wir, dass eine frisch gebrühte
Tasse Tee mehr Energie beinhaltet als dieselbe Tasse zwei Stunden
später, wenn der Tee abgekühlt ist. Die Wärme hat sich
im Umkreis zerstreut. Wärme auf physikalischer Atomebene ist
deren kinetische Energie. Falls sie quasi „keine“ Energie haben
(energielos sind), gefrieren sie – so wie unsere Tasse Tee beim
weiteren Abkühlen im Winter draussen am Fenster oder in der
Tiefkühltruhe.
Derweil die Partikel auf atomarer Ebene „gefrieren“ und ruhig gestellt
werden können, wie zum Beispiel im Wasser bei einer Temperatur
unter 0°C sind auf subatomarer Ebene Elektronen bei Temperaturen, die höher
sind als die Temperatur der absoluten Null (-273,15°K)
immer in Bewegung. Die Elektronen bewegen sich nicht nur um den
Atomkern herum, sondern sie wechseln hauptsächlich in Metallen
ihre Plätze. Und die Bewegung der Elektronen ist der elektrische
Strom. Im erwärmten Zustand haben Elektronen eine höhere
Energie und sind bereitwilliger, ihre Stelle zu ändern
beziehungsweise eventuell in den benachbarten Atom über zu
springen. Diese Sprünge sind keineswegs groß, es handelt
sich um Entfernungen von einem bis zehn Nanometer.
Ein wenig Geschichte
Die thermoelektrische Erscheinung ist schon verhältnismäßig
lange bekannt. Sie wurde per Zufall im Jahre 1821 von dem deutschen
Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt, der feststellte, dass
zwischen zwei Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung
existiert, im Falle dass an diesen Enden ein Temperaturunterschied
vorliegt. Weiterhin wurde nach ihm der sgn. Seebecksche Effekt
benannt: sind zwei Leiter aus verschiedenen Metallen in einer
geschlossenen Leitung verbunden und weisen eine unterschiedliche
Temperatur auf, fließt durch diese Leitung elektrischer Strom. Diese Erscheinung wird noch heute in Thermoelementen zur elektronischen Temperaturmessung angewendet.
Im Jahre 1834 dann beschrieb Peltier einen Effekt, dass, wenn beim
Gleichstrom, der aus der äußeren Quelle fließt, der
durch eine Leitung zweier verschiedener Metalle gebildet ist, dann
ein Temperaturunterschied zwischen beiden Verbindungen entsteht. Wenn
der Strom aus der äußeren Quelle durch den gegebenen
Anschluss in die gleicher Richtung fließt, welche der Strom
beim Erwärmen in Seebecks Erscheinung hat, dann kühlt sich
der gegebene Anschluss ab. Wenn der Strom durch die andere Richtung
fließt, dann erwärmt sich der Anschluss. Der
Peltier-Effekt hängt von der Metallart und deren Temperatur ab.
Das ist der Grundsatz thermoelektrischer Teile. Ein theromoelektrisches
Teil, einfach ausgedrückt, entwickelt elektrischen Strom in
Abhängigkeit auf die Temperaturunterschiede an seinen beiden
Seiten oder Temperaturunterschiede in Abhängigkeit auf dem
elektrischen Fluss. Man kann es nicht nur zur Kühlung sondern
auch zur Erwärmung anwenden. Zur Erwärmung haben wir
selbstverständlich eine ganze Reihe zur Auswahl – meistenteils
günstigere Verfahren und so bleibt als Hauptgebiet der
praktischen Anwendungen die Kühlung. Allerdings kann man die
Eigenschaften der thermoelektrischen Teile auch zum genauen
Temperaturmessen in verhältnismäßig großem
Temperaturausmaß (nach angewandten Materialien bis zu 1600°C)
erfolgreich nutzen. Und letztendlich kann das thermoelektrische Teil
auch überall dort zur Stromproduktion genutzt werden, wo ein
Temperaturunterschied vorhanden ist. Und das ist eben der Fall
Chipoberfläche – Prozessor.
Der moderne Weg über Halbleiter und Nanotechnologie
Die Hauptproblematik (Schwierigkeit) in thermoelektrischen Materialien liegt darin, dass
es gleichzeitig mit der angestrebten Bewegung der Elektronen auch
zum nichterwünschten Temperaturdurchdringen und damit zur
Reduzierung der Temperatursenkung (Temperaturunterschiede) kommt und
dadurch auch zur möglichen Wirksamkeit der gesamten Anlage –
dem thermoelektrischen Teil.
Das Problem des Bestehens des Temperaturgradients (der Temperaturunterschiede an beiden Enden der
Teile) versucht man in der Hauptforschung auf dem Gebiet der Findung
eines solchen Anschlusses (Tores) zu lösen, welche die
Elektronen gut durchlassen wird und den größtmöglichen
thermischen Widerstand haben wird. Gerade ENECO arbeitet mit
Halbleitern. Die Nutzung der Halbleiter könnte für die
thermoelektrischen Teile einige grundlegende Vorteile haben. Der
erste und grundlegende Vorteil soll auf der viel höheren
Wirksamkeit liegen, als bei den klassischen Teilen, die aus zwei
verschieden Metallen gebildet sind. Bei Halbleitern ist obendrein in
der Chipindustrie die Technologie der Verarbeitung und Auftragung
(resp. Bedampfungsprozess) beliebig dünner Schichten auf
beliebig große oder kleine Flächen sehr gut bewältig. ENECO behauptet somit, dass sie in der Lage sind, in die Wirkung
von 50% des Carnotzyklus zu kommen, und damit eine Auswirkung von ca.
30% in der Umwandlung der Abwärme in elektrische Energie
erreichen.
Nicht nur mit Rosen ist der Weg voraus geschmückt
Auch durch optimistische Proklamationen über Prozentwirkungen und
baldigen Terminen der Einführung der Kommerzprodukte auf den
Markt (1.Quartal 2008) ist vieles auf dem Papier geblieben. Der Weg
zur Durchbruchsnutzung der Prozessor-Abwärme ist nicht mit Rosen
gesäumt. Die Forschung ist sehr kostspielig und die Geduld der
Investoren kurz. Komplikationen bei der Entwicklung des kommerziell
einsetzbaren Teiles haben zum Verzug geführt und mit dem
Ergebnis, das am 18. Januar 2008 die ENECO um Schutz vor Gläubigern
gebeten hat.
Inzwischen ist ein weiterer Hersteller – die Firma Power Chip aus Gibraltar
erschienen – dessen Chip angeblich die Wirkung von 80% des
Carnotzyklus hat, d.h. ungefähr 50% Wirkung der Wärmeumwandlung
in elektrische Energie. Power Chip setzt auf Nanotechnologie. Mit
dieser Hilfe soll angeblich möglich sein, ein thermoelektrisches
Teil zu bilden, wo zwischen zwei thermoelektrischen Materialien eine
Schicht – Nanomembrane – sein würde, die einen leichten
Durchgang der Elektronen ermöglichen und die unerwünschte
Wärmeübertragung verhindern würde.
Ob diese Technologie irgendwann in Zukunft erfolgreich bewältigt
wird – also auf akzeptierbarer Effektivitätsebene im
Verhältnis zu den Produktionskosten – ist noch unklar. Die
Physik schließt dieses nicht aus. Oder bekommen wir früher
eine billigere, sichere und nichtausschöpfbare Energie aus
Kernfussionen?
Aller Wahrscheinlichkeit nicht. Diese billige Energie wird es schon deshalb
nie geben, weil das energetische Geschäft viele starke Spieler
hat, die bereit sind, jedes beliebige neue Gebiet der Produktion und
Energiedistribution zu monopolisieren, falls so ein Gebiet erscheinen
würde. Und so bleibt die Perspektive der Nutzung der Abwärme
mit dem Nebeneffekt der Prozessorkühlung weiterhin sehr
verlockend.
Karel Umlauf
COOLHOUSING.NET
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