سرورها، تجهیزات ذخیره‌سازی، سوئیچ‌ها و سامانه‌های ارتباطی هنگام کار، گرمای قابل‌توجهی تولید می‌کنند. در صورت عدم دفع مناسب این گرما، عملکرد تجهیزات کاهش یافته، احتمال خرابی افزایش می‌یابد و پایداری سرویس‌ها با مخاطره مواجه می‌شود. به همین دلیل، سیستم‌های سرمایش بخش مهمی از زیرساخت مراکز داده را تشکیل می‌دهند و در بسیاری از مراکز داده، بین 30 تا 45 درصد کل انرژی مصرفی به تجهیزات سرمایشی اختصاص دارد. در چنین شرایطی، فناوری نانو یا نانوتکنولوژی بعنوان یکی از حوزه‌های پیشرفته علمی و صنعتی، راهکارهای مؤثری برای بهینه‌سازی سیستم‌های خنک‌کننده ارائه کرده است. استفاده از مواد و ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان بهبود انتقال حرارت، کاهش اتلاف انرژی، افزایش عمر تجهیزات و هوشمندسازی کنترل محیط را فراهم می‌سازد.
نانوتکنولوژی چیست و چرا برای سرمایش مهم است؟
نانوتکنولوژی به طراحی و استفاده از مواد، ساختارها و سامانه‌هایی گفته می‌شود که ابعاد آنها در مقیاس یک تا صد نانومتر قرار دارد. در این مقیاس، خواص فیزیکی و شیمیایی مواد می‌تواند بطور قابل‌توجهی تغییر کند. افزایش سطح تماس، هدایت حرارتی بهتر، مقاومت بیشتر در برابر خوردگی و واکنش‌پذیری کنترل‌شده از جمله ویژگی‌هایی است که مواد نانوساختار را برای کاربردهای صنعتی جذاب می‌کند.
در سیستم‌های سرمایش مراکز داده، این ویژگی‌ها می‌تواند به معنای انتقال سریع‌تر حرارت، مصرف انرژی کمتر، نگهداری آسان‌تر و کنترل دقیق‌تر شرایط محیطی باشد.
نانوسیالات؛ نسل جدید سیالات خنک‌کننده
یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهای نانو در صنعت سرمایش، استفاده از نانوسیالات است. نانوسیالات از ترکیب سیال پایه مانند آب، آب‌وگلیکول یا روغن با ذرات نانومتری فلزات یا اکسید فلزات تشکیل می‌شوند. ذراتی مانند اکسید آلومینیوم، اکسید مس، گرافن و نانولوله‌های کربنی در این حوزه کاربرد گسترده‌ای دارند.
افزودن این ذرات باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال می‌شود و در نتیجه، انتقال حرارت در مبدل‌ها، چیلرها و مدارهای آب سرد با راندمان بالاتری انجام می‌گیرد. برای مراکز داده‌ای که از سامانه‌های سیستم خنک کننده راهروی سرد، سیستم آب خنک یا سیستم خنک‌کننده مایع استفاده می‌کنند،
نانوسیالات می‌توانند موجب کاهش مصرف انرژی تجهیزات سرمایشی و بهبود ظرفیت دفع حرارت شوند.
پوشش‌های مبتنی بر نانوتکنولوژی بر روی مبدل‌ها و کویل‌ها
کویل‌های سرمایشی، کندانسورها و اواپراتورها در سیستم‌های تهویه و تبرید، نقش کلیدی در تبادل حرارت دارند. تجمع رسوب، خوردگی، رطوبت و آلودگی روی این سطوح، بازدهی سیستم را به‌مرور کاهش می‌دهد. پوشش‌های نانویی می‌توانند سطح تجهیزات را در برابر این عوامل مقاوم کنند.
این پوشش‌ها بطور معمول خاصیت آب‌گریزی، ضدخوردگی و ضدآلودگی دارند و باعث می‌شوند انتقال حرارت در طول زمان افت کمتری داشته باشد. در مناطق صنعتی، مرطوب یا دارای آلودگی هوا، استفاده از این فناوری می‌تواند هزینه‌های نگهداری و توقفات ناخواسته را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.
کنترل گردوغبار و آلودگی در محیط مرکز داده
وجود ذرات معلق، گردوغبار و آلاینده‌ها یکی از چالش‌های رایج در اتاق‌های سرور و مراکز داده است. این ذرات می‌توانند باعث گرفتگی فیلترها، کاهش جریان هوا، افزایش دما و حتی آسیب به تجهیزات حساس شوند. استفاده از فیلترها و سطوح دارای پوشش نانویی، جذب آلودگی را کاهش داده و قابلیت خودتمیزشوندگی ایجاد می‌کند.
این موضوع بویژه در کشورهایی با اقلیم خشک، مناطق صنعتی یا شهرهای پرترافیک اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا کاهش دفعات سرویس و تعویض فیلترها، هزینه‌های عملیاتی مرکز داده را کاهش می‌دهد.
مواد تغییر فاز یافته نانوساختار
مواد تغییر فاز (PCM) موادی هستند که هنگام ذوب یا انجماد، مقدار زیادی انرژی حرارتی جذب یا آزاد می‌کنند. در صورت تقویت این مواد با فناوری نانو، ظرفیت انتقال و ذخیره انرژی آنها بهبود می‌یابد.
در مراکز داده، مواد تغییر فاز می‌توانند برای ذخیره انرژی سرمایشی در ساعات کم‌باری و استفاده در زمان اوج مصرف به کار روند. همچنین در زمان قطع کوتاه‌مدت برق یا اختلال لحظه‌ای در سیستم سرمایش، این مواد ساخته شده بر پایه نانوتکنولوژی می‌توانند به حفظ دمای محیط کمک کنند و زمان لازم برای فعال‌سازی سیستم‌های پشتیبان را فراهم آورند.
عایق‌های نانویی و مدیریت هوای سرد و گرم
یکی از اصول مهم طراحی مراکز داده، جداسازی مسیر هوای سرد و گرم و جلوگیری از اختلاط آنهاست. اتلاف برودتی در کف کاذب، دیوارها، سقف و کانال‌ها می‌تواند باعث افزایش بار سرمایشی شود. عایق‌های نانویی مانند آئروژل‌ها و پوشش‌های بازتابنده حرارت، با ضخامت کم و عملکرد بالا، گزینه‌ای مناسب برای بهبود بهره‌وری انرژی هستند.
این فناوری‌ها ضمن کاهش انتقال حرارت ناخواسته، به تثبیت دمای سالن و کاهش نقاط داغ کمک می‌کنند.
نانوتکنولوژی، نانو حس‌گرها و پایش هوشمند
نسل جدید حسگرهای مبتنی بر نانو قادرند دما، رطوبت، جریان هوا و برخی آلاینده‌ها را با دقت و سرعت بالا اندازه‌گیری کنند. ابعاد کوچک، مصرف انرژی پایین و قابلیت نصب در نقاط متعدد، آنها را برای استفاده در رک‌ها، راهروهای سرد و گرم و فضاهای محدود مناسب ساخته است.
اتصال این حس‌گرها به سامانه مدیریت زیرساخت مرکز داده (DCIM) امکان تحلیل لحظه‌ای وضعیت مرکز داده و تنظیم هوشمند سرمایش را فراهم می‌کند. نتیجه این رویکرد، کاهش مصرف انرژی و افزایش قابلیت اطمینان تجهیزات است.
مزایای اقتصادی و عملیاتی
بکارگیری نانوتکنولوژی در سیستم‌های سرمایش، علاوه بر مزایای فنی، آثار اقتصادی مهمی نیز دارد. کاهش مصرف انرژی چیلرها و فن‌ها، کاهش هزینه تعمیرات، افزایش عمر تجهیزات تهویه و سرمایش (HVAC) و بهبود شاخص کارایی انرژی (PUE) از مهم‌ترین نتایج این فناوری است. برای مراکز داده متوسط و بزرگ، حتی چند درصد صرفه‌جویی در انرژی می‌تواند در مقیاس سالانه، رقم قابل‌توجهی از هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.
چالش‌های پیاده‌سازی فناوری‌های برآمده از نانوتکنولوژی</h2>
با وجود مزایا، استفاده از فناوری نانو نیازمند بررسی دقیق فنی و اقتصادی است. هزینه اولیه برخی تجهیزات، نیاز به تأمین‌کنندگان معتبر، ارزیابی سازگاری مواد با تجهیزات موجود و الزامات نگهداری تخصصی از جمله چالش‌های اصلی محسوب می‌شوند. همچنین در مورد نانوسیالات، کنترل پایداری و جلوگیری از ته‌نشینی ذرات اهمیت ویژه‌ای دارد.
جمع‌بندی
افزایش تقاضا برای خدمات دیجیتال و رشد مصرف انرژی در مراکز داده، صنعت فناوری اطلاعات را ناگزیر به استفاده از راهکارهای نوآورانه کرده است. نانوتکنولوژی با ارائه ابزارهایی مانند نانوسیالات، پوشش‌های هوشمند، عایق‌های پیشرفته و حسگرهای دقیق، می‌تواند نسل جدیدی از سیستم‌های سرمایش کم‌مصرف و پربازده را برای مراکز داده فراهم کند.
برای کشورهایی که با محدودیت انرژی، افزایش هزینه برق و شرایط اقلیمی متنوع مواجه هستند، استفاده هدفمند از این فناوری می‌تواند مزیتی راهبردی باشد. آینده مراکز داده، تنها به توان پردازش وابسته نیست؛ بلکه به توانایی مدیریت هوشمند انرژی و حرارت نیز بستگی دارد، و نانوتکنولوژی یکی از کلیدهای اصلی این آینده خواهد بود.
این مقاله 23 اردیبهشت 1405 در نشریه صنعت هوشمند منتشر شد.
