Forschung
Sonne und Weltall für KI-Rechenzentren anzapfen?
Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat ein hybrides Strahlungskühlungs- und Solarsystem entwickelt, das Strom, Wärme und Kühlung auf einer Fläche kombiniert. Als mögliche interessante Anwendungsgebiete nennt das KIT auch energieintensive KI-Rechenzentren.
Kern des Systems ist eine transparente Schicht aus einer Siliziumdioxidplatte, die mit dem Silikonpolymer Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet ist. Sie lässt Sonnenlicht nahezu ungehindert passieren und gibt gleichzeitig Wärme als Infrarotstrahlung durch das sogenannte atmosphärische Fenster an den Weltraum ab. In diesem Wellenlängenbereich ist die Erdatmosphäre für Wärmestrahlung besonders durchlässig.
Das durch die Kühlschicht gelangende Sonnenlicht wird anschließend von einer Fresnel-Linse auf einen kleinen photovoltaisch-thermischen Kollektor gebündelt. Dieser erzeugt Strom und nutzbare Wärme.
Kühlung bis 6,5 Grad unter Umgebungstemperatur
Bei Freilandversuchen erreichte der Prototyp eine Kühlung bis 6,5 °C unter Umgebungstemperatur. Gleichzeitig erzielte das System eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 W/m². Für die Wärmenutzung wurden Temperaturen von bis zu 110,8 °C erreicht.
Die Kombination von Strahlungskühlung und Solarenergienutzung stellt gegensätzliche Anforderungen an den Aufbau: Der Solarkollektor soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen, während die für die Strahlungskühlung zuständige Schicht möglichst kühl bleiben soll.
Heißen und kalten Bereich getrennt
Die Forschenden trennen deshalb beide Bereiche räumlich voneinander. Das Sonnenlicht durchdringt zunächst die transparente Kühlschicht. Erst darunter bündelt eine Fresnel-Linse das Licht auf den deutlich kleineren Solarkollektor.
„Wir haben dieses Problem gelöst, indem das Sonnenlicht zunächst die transparente Kühlschicht durchdringt und erst darunter eine Fresnel-Linse das Licht auf einen deutlich kleineren Solarkollektor bündelt. So bleiben der heiße Solarkollektor und die kühlende Schicht räumlich voneinander getrennt“, erklärt Iván Alberto Cruz García vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT, Doktorand und Erstautor der Studie.
Mögliche Anwendung in KI-Rechenzentren
Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten überall dort, wo gleichzeitig Energie und Kühlung benötigt werden. Dazu zählen auch KI-Rechenzentren. „Das Konzept könnte auch für energieintensive Anwendungen wie KI-Rechenzentren interessant sein, die viel Strom und Kühlung benötigen“, sagt Gan Huang, Leiter der Forschungsgruppe Hybrid Solar Technologies Lab am KIT.
Das Konzept baut auf einer 2024 vorgestellten Entwicklung des Teams auf. Damals hatten die Forschenden ein transparentes Material entwickelt, das Gebäude passiv kühlt und gleichzeitig Tageslicht durchlässt. Als nächste Schritte wollen sie unter anderem die Führung des Sonnenlichts, das Wärmemanagement und die Solarzellen optimieren.
Die Studie entstand in Kooperation mit Professor Shanhui Fan von der Stanford University. Für Huang steht sie für einen Perspektivwechsel: „Die Sonne ist nicht die einzige Energiequelle am Himmel. Auch die Kälte des Weltraums ist eine erneuerbare Ressource. Wenn wir lernen, die heiße Sonne und die Kälte des Weltalls gemeinsam zu nutzen, können wir eine neue Generation von Energiesystemen erschließen.“
Die Ergebnisse sind unter dem Titel „Co-harvesting universe coldness and solar energy for tri-generation of cooling, electricity and heating“ in Cell Reports Physical Science erschienen.