Криогенные технологии в электронике: как холод может повысить эффективность преобразователей тока

В современных отраслях, таких как энергетика, авиация и космос, даже небольшие потери в преобразователях тока могут привести к значительным затратам энергии, превращающимся в бесполезное тепло. Исследователь Московского авиационного института (МАИ) Михаил Остапчук и его проект «77К», прошедший акселератор «Большая разведка» в рамках Фонда перспективных исследований, предлагают пересмотреть традиционные подходы к охлаждению электроники. Вместо стандартного отведения тепла с помощью кулеров, команда использует криогенные температуры (ниже −100 °C) для улучшения характеристик электронных компонентов.

Проблема потерь в электронике

В сложных системах, таких как электростанции и спутники, ток не идет напрямую от источника к нагрузке. Между ними находятся преобразователи, которые управляют электричеством, включая выпрямители и инверторы. Эти устройства основаны на силовых полупроводниках, которые, работая, неизбежно нагреваются. Часть энергии теряется на преодоление сопротивления материалов, а также во время переключений. Чтобы избежать перегрева, используются кулеры и радиаторы, однако охлаждение часто рассматривается лишь как способ предотвращения перегрева, а не как метод повышения эффективности. Проблема потерь становится особенно актуальной при больших мощностях. Например, даже при КПД 98% на 50 МВт электростанции теряется 1 МВт, что эквивалентно работе тысячи утюгов. Это подчеркивает важность повышения эффективности электроники, особенно в мощных системах.

Криогенное охлаждение: новый взгляд на электронику

В отличие от обычных компьютеров, где охлаждение процессоров осуществляется для предотвращения перегрева, в проекте «77К» рассматривается использование низкотемпературного диапазона как оптимального для работы некоторых компонентов. Михаил Остапчук отмечает, что охлаждение может превратиться в экономическую выгоду, особенно для оборудования мощностью от киловатт до мегаватт. Исследования показывают, что полупроводники нового поколения, такие как нитрид галлия (GaN), демонстрируют снижение потерь при охлаждении до температур, близких к температуре кипения жидкого водорода (−253 °C). В то время как традиционные кремниевые компоненты показывают плато в снижении потерь, GaN продолжает демонстрировать улучшение характеристик.

Применение в авиации и космосе

Идея криогенного охлаждения электроники возникла в авиации, где традиционные системы охлаждения сталкиваются с физическими ограничениями. Для электрических и гибридных самолетов необходимо отводить значительное количество тепла, и обычные радиаторы становятся слишком тяжелыми. В этом контексте водородная авиация, использующая сжиженный газ не только как топливо, но и как источник холода, представляет собой перспективное направление. В 2021 году команда МАИ разработала экспериментальный авиационный корректор коэффициента мощности с криогенным охлаждением. Этот преобразователь, спроектированный для работы с жидким азотом, продемонстрировал значительное снижение потерь, что открывает новые горизонты для применения в водородных самолетах.

Космическое применение

В космосе, где конвекция не работает, тепло отводится через радиаторы-излучатели. Для спутников, таких как CubeSat, задача эффективного охлаждения становится критически важной. Охлаждение до −100 °C может увеличить КПД преобразователей с 85% до 92,5%, что является значительным шагом вперед в космической электронике.

Перспективы и вызовы

Проект «77К» нацелен на коммерциализацию своих разработок, однако сталкивается с трудностями привлечения инвестиций. Михаил Остапчук и его команда работают над созданием прототипов и поиском партнеров для дальнейшего развития технологий криогенного охлаждения. Несмотря на сложности, уже есть подписанные соглашения с заказчиками и начальные инвестиции, что позволяет надеяться на успешное продвижение проекта в будущем.