פלסטיק מוליך חום

מי ששכח את הטלפון הנייד ברכב סגור ביום חם, מכיר את התופעה: מכשירים אלקטרוניים נוטים להפסיק לפעול כשהם מתחממים יותר מדי. אתגר זה נעשה קריטי במיוחד במערכות מתקדמות כגון אנטנות מכ"ם או רכיבי הספק, שבהן עצירה פתאומית אינה אפשרית.

על רקע זה צוות חוקרים מאוניברסיטת נורת'איסטרן, בשיתוף עם המעבדה למחקר של צבא ארצות הברית, פיתח חומר חדשני: קומפוזיט קל משקל המשלב פלסטיק וקרמיקה, שמוליך חום ביעילות גבוהה ויכול לשמש לקירור מערכות אלקטרוניות מתקדמות.

החומר החדש, המיוצר בטכנולוגיות הדפסה בתלת־ממד, משלב פולימרים, חלקיקי קרמיקה ותוספים מיוחדים. סוד החידוש טמון בארגון המדויק של החומר בכל קנה מידה, מהמולקולות ועד למבנה המודפס הסופי. תהליך הייצור כולל מיקום מבוקר של חלקיקי הקרמיקה ויצירת "גשרים" גבישיים של פולימר ביניהם באמצעות שלבי חימום ייחודיים. התוצאה היא רשת רציפה שמאפשרת מעבר חום יעיל במיוחד, עד כדי מוליכות גבוהה יותר מזו של פלדת אל־חלד, תוך שמירה על משקל נמוך פי ארבעה.

היתרונות אינם מסתכמים בכך. בשונה ממתכות, שעלולות לגרום קצר חשמלי במגע עם רכיבים, הקומפוזיט החדש מבודד חשמלית. הוא גם שקוף לתדרי רדיו ואינו חוסם אותות אלחוטיים, מה שמאפשר להשתמש בו לצד מערכות תקשורת מתקדמות כגון 5G ומכ"מים בלי לשבש את פעילותן. כך אפשר להגן על מעגלים ולמשוך מהם חום באופן יעיל בלי לסכן את האלקטרוניקה או את תקינות השידורים.

המשמעות רחבה במיוחד בעידן שבו מערכות אלקטרוניות נעשות קטנות וחזקות יותר, ובד־בבד מייצרות כמויות חום גבוהות בחללים מצומצמים. בטלפונים חכמים, למשל, המעבדים אינם תמיד מסוגלים לפעול בקצב מלא בתנאי חום, כדי להימנע מהתחממות יתר. במרכזי נתונים - אחד ממקורות צריכת האנרגיה הגדולים בעולם - מצטבר חום עצום שמצריך פתרונות קירור יעילים ובני־קיימה. החומר החדש עשוי לספק ממשק תרמי משופר בין שבבים למערכות קירור קיימות.

גם בתעשיית הרכב החשמלי מזהים פוטנציאל: תאי סוללה עלולים להגיע למצב של "בריחה תרמית" - תגובת שרשרת מסוכנת שמביאה להתחממות קיצונית ואף לשריפה. שילוב של החומר החדש בין תאי הסוללה עשוי לסייע בפיזור החום ובמניעת התלקחות.

החוקרים מאוניברסיטת Northeastern, בראשות פרופ' רנדל ארב, מתמקדים כעת בהרחבת הייצור ובפיתוח היישומים התעשייתיים של החומר, בשיתוף פעולה עם המעבדה למחקר של צבא ארה"ב. הפיתוח הוא התקדמות ממשית בתחום ניהול החום באלקטרוניקה, ומציג אפשרות ממשית לשינוי כללי המשחק במכשירים אישיים, במרכזי נתונים ובמערכות רכב ואנרגיה מתקדמות.

לפרטים נוספים

צילום: Matthew Modoono/Northeastern University

אילוסטרציה