Rekenen met warmte

Warmte is in moderne elektronica gevreesd en ongewenst. Nu processoren en geheugens steeds kleiner worden, wordt afvalwarmte een steeds groter problem. Maar wat als de warmte juist wordt gebruikt om me te rekenen? Een aantal onderzoekers hebben nu aangetoond dat het kan. Dit opent de deur naar thermische computers die op lichaamswarmte of andere bronnen van afvalwarmte werken.

Warmtestromen
Warmte stroomt van heet naar koud. Dat betekent dat er zich voortdurend warmtestromen voordoen. Waar elektriciteit uit elektronen bestaaat, bestaat warmte uit elementaire trillingen die een soort pseudodeeltjes vormen: fononen. Een metalen staaf gedraagt zich dan bijvoorbeeld als warmtegeleider (stoffen die goed elektriciteit geleiden zijn vaak ook goede warmtegeleiders). Dit stroomgedrag is precies voorspelbaar en met voorspelbare, manipuleerbare processen kan je rekenen. Dus in principe is het ook mogelijk om met warmte te rekenen.

Metamaterialen
Wat de mogelijkheden nog vergroot, is dat materialen warmte op heel verschillende manier kunnen geleiden. Als je bijvoorbeeld laagjes warmtegeleider en warmteisolator stapelt, zal het materiaal warmte vooral richting zijkanten geleiden. Je kan ook denken aan warmtetransistoren: een schakelaar die als deze warmer wordt, een isolerende ruimte vergroot of juist laat verdwijnen. Vergeleken met elektronica zullen dit behoorlijk grote en zeer langzame dingen zijn, elektriciteit beweegt met bijna de lichtsnelheid en warmte met hooguit centimeters per seconde, maar in principe kan je hier een computerachtig ding mee bouwen. Yuki Sato van Harvard, één van de auteurs, zegt dan ook dat warmtestromen in principe net zo te manipuleren zijn als elektriciteit. In zijn nieuwe onderzoek bestudeert hij metamaterialen, waarvan de thermische geleidbaarheid zeer complex is te maken.

Sato en collega Supradeep Narayana deden precies dat. Hun eenvoudigste demonstratie is een thermisch schild: een themisch onderdeel dat warmte uit een bepaald gebied uitsluit. Dit onderdeel bestaat uit een grote cilinder, zo groot als een grote batterij, die bestat uit veertig concentrische lagen natuurrubber en met boornitride gedoopte siliconenrubber. Het tweetal experimenteerde met het onderdeel in warmtegeleidende gel, waarin een temperatuursgradiënt aanwezig was. Zonder dit hitteschild zou de warmte van heet naar koud gestroomd zijn.  Ook bouwden ze een concentrator, die de warmtestroom opzoog. De meest interessante toepassing was de inverter, waarbij de richting van de warmtestroom tot 180 graden om werd gedraaid.

Rekenen met warmte
Van dit begin verdergaan tot een schakeling die ook echt berekeningen kan uitvoeren is een grote stap. Maar niet een onmogelijke stap, aldus Sato. Er bestaan al materialen waarvan de warmtegeleidbaarheid afhangt van de temperatuur. Als dergelijke materialen in de inverter worden gebruikt, dan zou de warmtestroom alleen worden doorgelaten als de omgeving warm genoeg is. De basis voor thermische computers, aldus Sato. Een thermische computer is Turing-compleet en zou dus voor dezelfde dingen kunnen worden gebruikt als een elektrische computer (al zal deze veel langzamer zijn). Eén voordeel vaan een thermische computer is dat deze rechtstreeks afvalwarmte benut om mee te rekenen en zo energie zou kunnen besparen.

Warmtecomputer robuust, maar erg log en langzaam
Dit voordeel  is echter uiterst beperkt: warmtestromen zijn het gevolg van een entropisch proces, de fononen bewegen in tegenstelling tot elektronen kriskras door elkaar, dus veel langzamer en logger dan elektrische stromen (die door een spanningsverschil worden opgewekt), al werken vaste-stof fysici al met fononen en oppervlakte-plasmonen (trillingen in elektronenplasma) op nanoschaal. Deze bewegen soms met zeer hoge snelheden. We hebben ook de voordelen van tientallen jaren elektrische productontwikkeling nog niet. In principe kan een zuinige elektrische schakeling gecombineerd met bijvoorbeeld een thermokoppel die het warmteverschil aftapt en in stroom omzet, de prestaties van de thermische computer, ook wat betreft energieverbruik, daarom verre overtreffen. Er zijn twee toepassingsgebieden waar thermische computers toch interessant kunnen zijn. Ten eerste daar waar sterke elektrische stoorvelden aanwezig zijn die elektronische schakelingen door laten branden en ten tweede waar grote hoeveelheden ioniserende straling aanwezig zijn. Met andere woorden: ruimtevaart, kerncentrales en backupsystemen na een EMP-aanval. Ook kunnen thermische computers interessant zijn voor sensoren.

Wel moeten er nogal wat praktische hordes genomen worden. Anders dan elektriciteit, die door geleiding, inductie (via een magnetisch veld) en door vacuüm bwegende elektronen kan worden overgedragen, kan warmte door drie processen worden overgedragen: geleiding, stroming en straling. Het zal nog de nodige kunstgrepen vergen om uit te sluiten dat er ongewenst warmtetransport plaatsvindt.

Bron
Supradeep Narayana en Yuki Sato, heat flux manipulation with engineered thermal materials, Phy. Rev. Ltrs, 2012 (in press)