Así funciona SPEAR, el compacto nuevo dispositivo que promete gestionar el calor de equipos electrónicos

Ingenieros del Laboratorio de Física Aplicada (APL) de la Universidad Johns Hopkins desarrollan SPEAR, un nuevo disipador térmico (un dispositivo que absorbe y disipa el calor de los componentes electrónicos) fabricado con manufactura aditiva y materiales de cambio de fase, y destinado a sistemas con limitaciones estrictas de espacio y peso: en particular, equipos electrónicos que generan altas cargas térmicas y tienen pocas opciones para liberarlas, según informó el portal especializado en tecnología y ciencia TechXplore.

El diseño permite reducir en más de 50% el tamaño y el peso frente a un disipador metálico tradicional sin perder capacidad térmica. Esa mejora apunta a entornos con exigencias estrictas de tamaño, peso y potencia.

SPEAR, sigla de Smart Phase-change Enhanced Re-entry (algo como “disipación inteligente mejorada con cambio de fase para reentrada”), combina materiales de cambio de fase con fabricación aditiva, conocida popularmente como impresión 3D, para crear disipadores compactos y de alta capacidad. Estos materiales absorben y almacenan calor mientras pasan de un estado físico a otro, lo que les permite retener más energía térmica sin elevar su temperatura con la misma rapidez que los materiales convencionales.

La aplicación está orientada a sistemas en los que la electrónica produce calor, pero el margen para expulsarlo es limitado. Esa condición aparece en plataformas donde cada volumen disponible y cada gramo cuentan.

Diseñado para cargas térmicas elevadas y breves

Yoni Ferneau, ingeniero mecánico de APL, señaló que estos disipadores pueden resultar útiles en cualquier lugar donde haya componentes electrónicos que generen mucho calor durante poco tiempo. Mencionó entre esos casos a los sistemas hipersónicos —que viajan a más de cinco veces la velocidad del sonido y enfrentan temperaturas extremas—, sistemas espaciales, electrónica de radiofrecuencia, transmisores, interceptores y otros equipos transitorios o de bajo ciclo de trabajo. Es decir, que operan en ráfagas cortas e intermitentes antes de apagarse.

Greg Merboth, ingeniero mecánico senior del laboratorio, describió el principio de funcionamiento con una comparación simple: el disipador almacena calor a medida que un material se derrite, del mismo modo en que el hielo que se funde en una bebida ayuda a mantenerla fría. Cuando el material pasa de sólido a líquido, absorbe y almacena calor con más eficiencia que un disipador metálico convencional.

Esa capacidad adicional de almacenamiento térmico es la base del recorte de volumen y masa que persigue el proyecto. El objetivo no es solo contener más calor, sino hacerlo dentro de restricciones severas de integración.

Comparación de dos prototipos SPEAR y uno de aluminio

Los disipadores de cambio de fase, indicó el portal, suelen fabricarse mediante procesos tradicionales que implican ensamblar múltiples piezas mecanizadas por separado, un método complejo y laborioso. Los avances recientes en fabricación aditiva llevaron al equipo a explorar una alternativa de una sola pieza.

Merboth señaló que esas mejoras hacían viable fabricar sus propios disipadores integrados de cambio de fase. A partir de esa premisa, el equipo construyó disipadores iniciales y una unidad de prueba para evaluar el concepto.

La referencia fue un disipador base de aluminio. A partir de él, los investigadores fabricaron dos versiones SPEAR para ensayos lado a lado.

Uno de los prototipos tenía el mismo volumen que la versión de aluminio y sirvió para medir cuánta más capacidad de almacenamiento térmico podía ofrecer el diseño con cambio de fase dentro del mismo espacio. El otro se diseñó para igualar la capacidad térmica del disipador tradicional y mostrar hasta qué punto podían reducirse el tamaño y el peso al almacenar la misma cantidad de calor.

Los disipadores con material de cambio de fase fueron llenados, sellados y probados sin fugas. Después, el equipo los enfrentó al diseño metálico tradicional y observó el rendimiento esperado junto con las ventajas en tamaño, peso y potencia.

Para facilitar la comparación, el grupo también construyó una unidad de prueba integrada que aplica calor a varios disipadores al mismo tiempo. Ese sistema registra y muestra en tiempo real los cambios de temperatura para exhibir cómo responde cada diseño bajo condiciones equivalentes.

Danielle Hilliard, responsable de diseño, ingeniería y fabricación en el APL, afirmó que SPEAR muestra cómo los ingenieros del centro pueden tomar un desafío técnico compartido y desarrollar una capacidad adaptable a distintas necesidades de misión.