VTT kehittää mikroelektroniikkaan ja sähkövirtaan perustuvaa jäähdytysteknologiaa, jota voivat hyödyntää matalissa lämpötiloissa toimivat elektroniikan ja fotoniikan komponentit. Uusi teknologia pienentää jäähdytysjärjestelmien kokoa, tehonkulutusta ja hintaa. Menetelmälle nähdään laajasti sovelluskohteita: yksi ajankohtainen esimerkki on kvanttiteknologia.

(kuva yllä: VTT:n sähköisen jäähdyttimen prototyypin asennus testaukseen.)

Monet elektroniikan, fotoniikan ja kvanttiteknologian komponentit edellyttävät kryogeniikan eli kylmäfysiikan soveltamista, sillä ne toimivat ainoastaan hyvin matalissa lämpötiloissa. Esimerkiksi suprajohtavista piireistä rakennettu kvanttitietokone tulee jäähdyttää lähelle absoluuttista nollapistettä (-273.15 ℃). Nykyään tällaiset lämpötilat saavutetaan monimutkaisilla ja suurikokoisilla laimennusjäähdyttimillä. VTT:n sähköinen menetelmä voi korvata ja täydentää nykyisiä ratkaisuja ja siten pienentää jäähdyttimen kokoa. Tämä mahdollistaa vastaavasti kvanttitietokoneiden koon merkittävän pienentämisen.

Sähköinen menetelmä osaksi jäähdytysjärjestelmää

Nykyiset laimennusjäähdyttimet perustuvat moniasteisten kryogeenisten nesteiden pumppaamiseen.  Vaikka nämä jäähdyttimet ovat nykyään kaupallista teknologiaa, ne ovat edelleen erittäin kalliita ja suurikokoisia. Jäähdytinteknologian tekee monimutkaiseksi erityisesti sen kylmin aste, jossa pumpataan heliumin isotooppien seosta. Uusi sähkövirtaan perustuva jäähdytysteknologia voi tulevaisuudessa korvata juuri tämän osan. Näin järjestelmästä saataisiin huomattavasti yksinkertaisempi, pienempi, tehokkaampi ja edullisempi. Henkilöauton kokoinen jäähdytin, jolla jäähdytetään noin neliösenttimetrin kokoista piisirua, voitaisiin kutistaa kertaluokilla vaikka matkalaukun kokoiseksi. 

“Uskomme, että tätä puhtaasti sähköistä jäähdytysmenetelmää voidaan hyödyntää lukuisissa kryogeniikkaa tarvitsevissa sovelluksissa kvanttilaskennasta herkkiin säteilyn ilmaisimiin ja avaruusteknologiaan”, sanoo jäähdyttimen kehitystyötä vetävä VTT:n tutkimusprofessori Mika Prunnila.

Uusia mahdollisuuksia liiketoiminnalle

VTT:n tutkijat ovat jo vahvistaneet jäähdytysmenetelmän toimivuuden kokeellisin menetelmin. Nyt menetelmää jalostetaan kaupalliseksi demonstraattoriksi SoCool-hankkeessa, joka saa rahoitusta EU:n EIC-Transition -ohjelman kautta. Jäähdyttimien teknologian ja fysiikan perustutkimus on erittäin tärkeää ja sitä jatketaan Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön rahoittamassa CoRE-Cryo-hankkeessa.

Sähköistä jäähdytysmenetelmää voidaan käyttää komponenttien aktiiviseen jäähdytykseen suoraan piisirulla tai suuren mittakaavan jäähdyttimissä. Kyseessä on alustateknologia, joka sopii lukuisiin sovelluksiin ja luo mahdollisuuksia uudelle liiketoiminnalle. Jäähdyttimen aktiivinen osa valmistetaan mikroelektroniikan valmistusmenetelmillä piikiekoille, mikä tekee valmistuksesta erittäin kustannustehokasta.

"Tekemällä jäähdytysjärjestelmä helppokäyttöisemmäksi ja edullisemmaksi voidaan merkittävästi laajentaa uusien kryoavusteisien teknologioiden käyttökohteita. Näemme, että sähköisellä jäähdytysteknologiallamme voi olla erittäin tärkeä rooli tässä kehityksessä", Mika Prunnila toteaa.

Kryogeniikka on noussut entistä suuremman mielenkiinnon kohteeksi kvanttiteknologian ansiosta. Kvanttimaailman äärimmäisiin vaatimuksiin kehitettyjä järjestelmiä voidaan käyttää erilaisissa antureissa, avaruusteknologiassa ja mahdollisesti myös klassisessa laskennassa. Kompaktit ja helppokäyttöiset jäähdytysmenetelmät edesauttavat näiden teknologioiden laajamittaista käyttöönottoa. Kvanttiteknologian odotetaankin olevan vain jäävuoren huippu tulevaisuuden kryogeniikan, kryoelektroniikan ja kryofotoniikan sovelluksille.