Kühlkomponenten aus dem 3D-Drucker

Im kürzlich abgeschlossenen AM2PC-Projekt haben das Dänische Technologische Institut und der dänische Heiz- und Kühlkomponentenhersteller Heatflow zusammen mit dem belgischen Softwareentwickler Open Engineering und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU eine 3D-gedruckte Kühlkomponente für Rechenzentren und Hochleistungscomputer entwickelt und getestet. Die Lösung nutzt passive Zweiphasenkühlung und erreichte in Tests eine Kühlleistung von 600 W. Das sind 50% mehr als das ursprüngliche Ziel von 400 W.

Mehr Leistung braucht mehr Kühlung

Der Energieverbrauch von Rechenzentren für die Kühlung von Servern und GPUs steigt exponentiell. In Ländern wie Irland beispielsweise verbrauchen Rechenzentren einen so großen Anteil der Gesamtenergie, dass gesetzliche Beschränkungen eingeführt wurden. 

Neben der eigentlichen IT-Hardware ist die entsprechende Kühlinfrastruktur einer der größten Energieverbraucher in einem Rechenzentrum – und damit das größte Potenzial zur Verbesserung der Gesamteffizienz des Systems, erklärt Simon Brudler, 3D-Druckspezialist und Senior Consultant beim Danish Technological Institute.

Daneben stieg der Stromverbrauch von GPUs innerhalb weniger Jahre von 100–200 W auf mehrere hundert oder sogar KW, sodass auch eine effizientere Kühlung erforderlich ist.

„Wir beobachten eine Entwicklung, bei der die Leistungsdichte in Servern schneller als je zuvor zunimmt und die herkömmliche Luftkühlung einfach nicht mehr ausreicht. Mit unserer Zweiphasenlösung können wir Wärme passiv ohne Pumpen oder Lüfter abführen, was den Energieverbrauch für die Kühlung erheblich reduziert“, sagt Paw Mortensen, CEO von Heatflow, der das AM2PC-Projekt leitete.

Passive Kühlung ohne Energieverbrauch

Die neue Kühllösung senkt den Energieverbrauch signifikant, verlänget  ie Lebensdauer von Computerchips und emöglicht zudem zugleich die Wiederverwendung von Abwärme.

Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen Luftkühlung durch die Verwendung eines Kühlmittels, das an der heißen Oberfläche verdampft. Der Dampf steigt aufgrund von Dichteunterschieden auf natürliche Weise auf, kondensiert an anderer Stelle (wo er Wärme abgibt) und kehrt durch die Schwerkraft als Flüssigkeit zurück. Dieser passive Zweiphasenprozess mit Kühlmittel – ein sogenanntes Thermosiphon-Prinzip – erfordert keine Pumpen und verbraucht somit keine Energie für die Wärmeabfuhr. Gleichzeitig ist die Verdunstung wesentlich effizienter als die herkömmliche Kühlung mit Luft und Flüssigkeit, sodass dem Computerchip viel mehr Wärme entzogen wird. Der Chip bleibt kühler, die Lebensdauer nimmt zu.

Die Schlüsselkomponente des Systems ist ein Verdampfer, den Heatflow und das Dänische Technologische Institut mit 3D-Druck entwickelt und hergestellt haben.

„Durch den 3D-Druck der Komponente aus Aluminium können wir alle notwendigen Funktionen in einem einzigen Teil integrieren. Dadurch entfallen Montagestellen, das Risiko von Leckagen wird verringert und die Komponente wird zuverlässiger. Gleichzeitig verwenden wir nur ein Material, was das Recycling erleichtert“, erklärt Simon Brudler.

Überschüssige Wärme wiederverwenden

Der Schwerpunkt des Projekts lag auf der Entwicklung und Herstellung des Verdampfers und der Validierung seiner Leistung. Dies ist über alle Erwartungen hinaus gelungen – ein zentrales Ergebnis des Projekts ist jedoch auch, dass die Lösung Wärme bei Temperaturen zwischen 60 und 80 Grad Celsius abführt. Wenn Wärme bei so hohen Temperaturen entzogen wird, kann sie ohne zusätzlichen Energieeinsatz direkt im Fernwärmenetz genutzt werden, aber auch für andere industrielle Prozesse, z. B. in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Textilindustrie, der Papier- und Zellstoffindustrie oder in der Landwirtschaft zum Beheizen von Gewächshäusern – sofern diese in der Nähe der Wärmequelle liegen.

Im Vergleich dazu entzieht die herkömmliche Luftkühlung von Servern die Wärme in der Regel bei niedrigeren Temperaturen, wodurch sie für Fernwärme und industrielle Prozesse weniger geeignet ist.

„In dem Projekt haben wir uns nicht auf die Integration in die Fernwärmeversorgung selbst konzentriert, aber wir haben gezeigt, dass die Technologie dies ermöglicht. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu energieeffizienteren Rechenzentren, die einen positiven Beitrag zur Gesamtenergiebilanz leisten können“, betont Simon Brudler.

Weniger Material, mehr Recycling

Neben den Energieeinsparungen während des Betriebs zeigt das Projekt auch Umweltvorteile bei der Herstellung. Durch den Einsatz von 3D-Druck wird der Gesamtmaterialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, die aus mehreren Komponenten aus unterschiedlichen Materialien bestehen, reduziert. Da die Komponente aus einem einzigen Material hergestellt wird, kann sie am Ende ihrer Lebensdauer leichter recycelt werden.

Es handelt ein Demonstrationsprojekt handelt, ist es noch zu früh, um über endgültige Umweltvorteile zu sprechen, aber Lebenszyklusanalysen deuten darauf hin, dass die Lösung die Gesamtemissionen pro Einheit um 25 bis 30 Prozent reduzieren kann.

Das AM2PC-Projekt wird von M-ERA.NET unterstützt und aus dänischen Mitteln des Innovationsfonds Dänemark finanziert. Das Gesamtbudget beträgt 10 Mio. DKK (ca. 1.35 Mio. EUR), die Projektlaufzeit erstreckt sich von 2023 bis 2025.