Flüssigbatterie ist Stromversorgung und Kühlung für Chips zugleich

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Derzeit sieht es nicht so aus, als sei ein baldiger Durchburch bei den Akkus zu erwarten. Zwar experimentieren nahezu alle Hersteller mit den unterschiedlichsten Materialien, große Sprünge werden von den Laboren aber meist nur in der Theorie versprochen und erreicht, in der Praxis kommt die Entwicklung bisher aber nicht an.

Wissenschaftler der ETH Zürich wollen nun eine neue Technik entwickelt haben, die zum einen das Problem der Stromversorgung moderner Chips löst, zum anderen aber gleichzeitig auch deren Kühlung möglich macht. Dazu haben sie eine sogenannte Redux Flow Battery entwickelt. In dem dazugehörigen Design wird mit einbezogen, dass zukünftige Chips immer modularer aufgebaut sein werden. So wird der Speicher, nicht Cache, immer näher an die Recheneinheiten heranrücken, so wie es High Bandwidth Memory bei den Grafikprozessoren vormacht.

In einer Flüssigbatterie wird eine elektro-chemische Reaktion verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen. Dazu werden zwei Elektrolyte verwendet, die in die Batterie gepumpt werden. Dies kann auch von außen durch einen geschlossenen Kreislauf geschehen. Damit würde die Energiequelle für einen Prozessor deutlich näher an den Chip selbst heranrücken. Auf dem Rückweg können die Elektrolyte zudem die Abwärme aus dem Chip oder Prozessor abführen.

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In den Laboren hat man solch eine Flüssigbatterie bereits fertigen können. Dort wird eine Leistung von 1,4 W pro Quadratzentimeter erreicht. Abzüglich der Leistung, die für die Pumpe notwendig ist, kann die Batterie noch immer über 1 W liefern. Die dazugehörige physischen Abmessungen belaufen sich auf die Stärke von 1,5 mm.

Die Abwärmeleistung die eine solche Batterie aus dem Chip transportieren kann, soll um einige Male größer als die Leistung der Batterie selbst sein. Genaue Angaben machen die Forscher an dieser Stelle aber nicht.

Kanäle das größte Problem in der Fertigung

Die Fertigung der Kanäle scheint derzeit das größte Problem für die Flüssigbatterie im Chip zu sein. Zum einen ist es schwierig, solche mikroskopisch kleinen Kanäle in einer hohen Qualität fertigen zu können – derzeit kommen dazu 3D-Drucker zum Einsatz. Zum anderen muss aber auch ein Kompromiss gefunden werden, der die Kanäle groß genug belässt, damit eine ausreichende Menge transportiert werden kann. Auf der anderen Seite sollten sie aber auch nicht zu viel Platz benötigen und je enger die Kanäle, desto mehr muss die Pumpe leisten – einen idealen Kompromiss zu finden scheint hier nicht ganz einfach.

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Das Konzept sieht derzeit keine direkte Machbarkeit in Chips vor. Dafür reiche die Leistung der Batterie einfach noch nicht aus. Weitere Tests durch die Forscher und eine Weiterentwicklung in Zusammenarbeit mit der Industrie seien nötig.

Deutlich näher sei man aber einem Praxiseinsatz in anderen Bereichen. Laser z.B. benötigen in kurzer Zeit möglichst viel Energie, werden mit zunehmender Leistung aber auch immer aufwendiger gekühlt. Eine weitere Anwendung könnten Solarzellen sein, in denen die Energie direkt an der Zelle selbst gespeichert wird, die Temperatur der Zellen durch den Kühleffekt aber auf einem idealen Level gehalten werden können.