Asista a cualquier conferencia de centro de datos y encontrará una gran cantidad de nuevas soluciones de enfriamiento diseñadas para satisfacer las necesidades de las últimas y mejores tecnologías.

Alrededor de 700 W y más, la refrigeración por aire de los chips se vuelve cada vez más difícil y la refrigeración líquida se convierte en la única opción realista.

Las GPU H100 de Nvidia alcanzan un punto de diseño térmico (TDP) de 700 W, y sus GPU Blackwell pueden operar actualmente hasta 1200 W. La Blackwell Ultra, también conocida como GB300, anunciada recientemente por la compañía, está programada para operar a un TDP de 1400 W, mientras que la MI355X de AMD opera a un TDP de 1100 W.

Recientemente, la empresa de refrigeración líquida Accelsius realizó una prueba para demostrar que podía refrigerar chips de hasta 4500 vatios. Accelsius afirma que podría haber llegado incluso más lejos, pero se vio limitada por su infraestructura de pruebas, más que por el propio sistema de refrigeración.

Pero la realidad es que, si bien gran parte del entusiasmo y el drama del sector se centra en las necesidades de hardware de IA, la mayoría de las cargas de trabajo en los centros de datos no se ejecutan en estas potentes GPU. La densidad de estos racks también está aumentando, si no al mismo nivel, y muchas empresas no están dispuestas a reemplazar por completo los sistemas de refrigeración en programas costosos y complejos.

Mientras muchas empresas buscan reinventar la rueda con nuevas y atractivas configuraciones de refrigeración, un gran número de operadores de centros de datos se centran en perfeccionar sus sistemas existentes, buscando optimizar la eficiencia siempre que sea posible y mejorar su capacidad de refrigeración a un ritmo adecuado a sus necesidades. Una forma de lograrlo es optimizar el fluido utilizado en los sistemas de refrigeración existentes.

Cambios a nanoescala

Una gran parte de las soluciones de refrigeración por aire aún utilizan líquido en algún punto del sistema, generalmente agua o una mezcla de glicol y agua. En cuanto a la elección del fluido, el agua suele considerarse más eficiente para la transferencia de calor, pero el agua con glicol puede ser más adecuado cuando se requiere protección contra la congelación.

Pero, independientemente de si se trata de una base de agua o de una mezcla de glicol, la firma irlandesa HT Materials Science (HTMS) dice que puede hacer que su sistema sea más eficiente con “nanopartículas”.

HTMS fue fundada en 2018 por Tom Grizzetti, Arturo de Risi y Rudy Holesek.

Según Grizetti, la solución Maxwell de la empresa surge de una iniciativa de investigación que comenzó hace más de 15 años en la Universidad del Salento en Lecce, Italia.

El equipo exploraba cómo la nanotecnología podría utilizarse para mejorar significativamente la transferencia de calor en sistemas de fluidos. Grizetti comenta sobre aquella época que: «Es uno de esos raros escenarios de startups donde la ciencia profunda se encuentra con una necesidad real del mercado en el momento justo».

Hasta la fecha, la base de clientes de HTMS no han sido principalmente centros de datos, ya que su solución actualmente está implementada en sitios industriales y centros logísticos de Amazon, pero la empresa está apuntando al sector y hablando con operadores porque, dice, puede ver un sólido caso de uso.

Las nanopartículas son partículas ultrafinas y diminutas. En el caso de la solución "Maxwell" de HTMS, estas partículas tienen un tamaño superior a 100 nanómetros y están compuestas de óxido de aluminio.

“Nuestro producto es un aditivo fluido simple que se utiliza en cualquier sistema hidráulico de circuito cerrado, ya sean enfriadores enfriados por aire o enfriadores de vapor enfriados por agua”, explica Ben Taylor, vicepresidente sénior de ventas y desarrollo comercial de HTMS.

Taylor hace la audaz afirmación de que Maxwell mejorará la eficiencia en "cada intercambiador de calor del circuito, ya sea el evaporador, el barril, el enfriador, el serpentín o el manipulador de aire; todos ven mejores capacidades de transferencia de calor".

El aluminio es bien conocido por sus propiedades de transferencia de calor. El metal por sí solo tiene una conductividad térmica de aproximadamente 237 W/mK (vatios por metro por Kelvin), y el compuesto de óxido de aluminio (también conocido como alúmina) tiene una conductividad térmica relativamente alta para un material cerámico, típicamente alrededor de 30 W/mK.

Si bien presenta una conductividad térmica menor que el aluminio puro, la alúmina es más adecuada para sistemas de refrigeración, ya que ofrece mayor estabilidad y durabilidad, lo que significa que funciona bien en aplicaciones de alta temperatura y alta presión, y ofrece una mejor resistencia a la corrosión. Todo esto ha sido respaldado por varios estudios científicos, incluido el artículo «Estudio experimental de las características de refrigeración de nanofluidos de alúmina a base de agua en un disipador de calor de minicanal», publicado en la revista Case Studies in Thermal Engineering.

Lo cierto es que, si bien la alúmina es un aditivo consolidado para soluciones de conductividad térmica, su adopción en la industria de los centros de datos no es generalizada. Durante la conferencia Yotta en Las Vegas en 2024, DCD se reunió con HTMS y les preguntó sobre la competencia en la industria, solo para enterarse de que, actualmente, no enfrentan ninguna.

La solución de nanopartículas se puede inyectar en sistemas de refrigeración nuevos y antiguos, dice Taylor, "Obtienes más eficiencia en tu sistema, e incluso si es un sistema más antiguo, puedes comenzar a hacer más de lo que pensabas que podías", dice.

Para muchos operadores de centros de datos, esto es música para sus oídos. Desmontar y reemplazar los sistemas de refrigeración cuesta tiempo y dinero, pero con las crecientes necesidades de refrigeración del hardware y las crecientes presiones regulatorias en muchos mercados, encontrar soluciones eficientes es fundamental.

Por supuesto, hay costos iniciales asociados con la instalación de los fluidos de transferencia de calor, pero HTMS estima que las compañías recuperan la inversión en un plazo de tres años, y algunas en tan sólo un año.

Eficiencia e impacto ambiental

Desde la perspectiva de la sostenibilidad, Taylor afirma que la huella de carbono de Maxwell es baja. «Muchos clientes cubrirán sus emisiones de CO2 en un plazo de uno a tres meses», afirma.

“Estamos viendo sistemas existentes que necesitan más capacidad y sistemas nuevos que intentan ser lo más eficientes posible, porque muchos de ellos van a empezar a ocupar gran parte de la red eléctrica, y muchos ya están utilizando mucha energía.

“Buscan un sistema con mayor eficiencia energética general, y una opción podría ser un enfriador refrigerado por agua con torres de refrigeración de celdas abiertas. Sin embargo, si bien son más eficientes energéticamente, son costosos en términos de consumo de agua”, explica, y añade que Maxwell solo puede utilizarse en un sistema de circuito cerrado.

“Los aditivos son nanopartículas, por lo que si están expuestas al medio ambiente, especialmente en una torre de enfriamiento de celda abierta, podrían simplemente ser arrastradas por el viento.", continúa.

La otra razón es que tenemos un requisito de pH. Normalmente nos mantenemos entre 10 y 10,5, lo cual es bastante estándar en un sistema de glicol, pero es un poco más alto de lo esperado en un sistema de agua. Y si están expuestos a la atmósfera, el pH seguirá bajando.

Las mejoras observadas en la capacidad de refrigeración varían según el cliente utilice agua o una mezcla de glicol. Al inyectar Maxwell en el sistema a una concentración del 2%, Taylor afirma que un sistema de solo agua puede experimentar un aumento de aproximadamente el 15% en la capacidad de transferencia de calor, y con una mezcla de entre el 30% y el 40% de glicol, esa concentración del 2% puede mejorar la capacidad de transferencia de calor hasta en un 26%.

Implementar Maxwell es un proceso sencillo, dice Taylor. "Tenemos todo premezclado y luego lo inyectamos en un sistema", explica. "Necesitamos que las bombas estén funcionando, a menos que estemos llenando el sistema desde el principio".

HTMS generalmente recomienda también instalar una “unidad de reposición y mantenimiento” (MMU) en el sitio: un dispositivo que monitorea el sistema y mantiene la química y la mezcla de partículas adecuadas.

Jim McEnteggart, vicepresidente sénior de aplicaciones de HTMS, explica: «Normalmente enviamos alrededor del 15% del volumen. Es un líquido, y luego lo bombeamos a través del sistema mediante conexiones que suelen estar en el lado de descarga de las bombas habituales.

Los productos concentrados se mezclan con su sistema y luego lo dirigimos hacia la succión de la bomba. Allí, la MMU cuenta con instrumentación que mide el pH y la densidad. Cuando alcanza su objetivo, sabemos que tenemos suficientes nanopartículas en la solución para lograr el resultado deseado y dejamos de inyectar.

McEnteggart agrega que HTMS asume una "tasa de fuga de alrededor del cinco por ciento por año" según los estándares ASHRAE, pero que una vez que Maxwell está en un sistema, la compañía dice que puede durar diez años.

“En realidad, ningún componente del circuito degradará el óxido de aluminio, ya que es químicamente inerte”, afirma McEnteggart. “Por lo tanto, a menos que haya una fuga, el producto puede permanecer allí durante toda la vida útil del sistema”.

Esa inercia química también es un factor positivo en términos del impacto -o falta de él- que la solución podría tener sobre el medio ambiente si se produjera una fuga.

"No es tóxico", dice McEnteggart, aunque añade en tono de broma: "Aun así, no recomendaría beberlo".

Si llegara a las aguas subterráneas, el óxido de aluminio en sí mismo es un elemento estable que no reacciona con muchos elementos. Sin embargo, el protocolo es que no queremos que se descargue en los sistemas de alcantarillado ni en lugares similares, porque en las concentraciones que manejamos, podría sobrecargarlos y dificultar su correcto funcionamiento.

Es importante tener esto en cuenta, ya que los aditivos a veces pueden ser PFA (sustancias perfluoroalquiladas o polifluoroalquiladas), también conocidas como "sustancias químicas permanentes". Los nanofluidos, si bien se consideran aditivos, no entran en esta categoría.

Si un cliente desea eliminar Maxwell de su sistema (algo que McEnteggart le asegura a DCD que hasta ahora nadie ha hecho), se trata de una combinación de filtración mecánica y separación química.

Si bajamos el pH a un rango ácido, es decir, por debajo de siete, las partículas se desprenden de la suspensión. Se sedimentan muy rápidamente, y podemos hacerlo in situ: simplemente bombeamos el sistema a los tanques y añadimos un compuesto ácido para que las partículas se acumulen en el fondo.

Extraemos de ahí, y todo lo demás queda atrapado en un filtro cerámico de poros muy finos. Después neutralizamos la solución, y si es agua, se puede tirar por el desagüe, o si es glicol, se envía a una planta de tratamiento.

La alúmina y, por extensión, los nanofluidos no han generado mucha conversación en la industria hasta el momento.

Como resultado de esto, a DCD se le ocurrió que podría haber algunos problemas a la hora de proporcionar la solución en masa si la industria muestra un interés significativo.

“Sin duda, tendríamos que escalar rápidamente”, admite Taylor. “Pero lo bueno es que la fabricación del producto es bastante sencilla. Una vez que veamos que crece el interés, podemos preverlo, y solo tendríamos que abrir un edificio y adquirir dos o tres equipos específicos.

El único factor limitante serían los proveedores de materia prima, tanto para la alúmina como, en el futuro, para el grafeno. Si nos topamos con algún obstáculo en ese aspecto, quedaría fuera de nuestro control.

HTMS cuenta con al menos un centro de datos implementado, el cual ha compartido en un caso práctico, aunque la empresa mantiene el anonimato, salvo por mencionar que las instalaciones se encuentran en Italia. Empresas como Stack, Aruba, TIM, Data4, Equinix, Digital Realty, OVH y CyrusOne, así como laboratorios y empresas de supercomputación, operan instalaciones en toda Italia.

Si bien no se pudieron proporcionar detalles de identificación sobre la implementación en Italia, la potencia total del sistema de refrigeración fue de 4143 kW (1,178 RT) y constaba de tres enfriadores y un sistema de trigeneración. Según el estudio de caso, el centro de datos experimentó una mejora del coeficiente de rendimiento del sistema del 9,76%.

Pero gran parte del desafío al ingresar a una industria que ha sido durante mucho tiempo un sector secreto es lograr que tu nombre se conozca si los clientes no te permiten compartir su historia.

“Muchos de ellos [los operadores de centros de datos] son ​​bastante sensibles a que sus nombres estén ahí”, admite Taylor, aunque la empresa mantiene la esperanza de conquistar por completo la frontera de los centros de datos.