Usando calor da CPU para gerar eletricidade

Estive lendo a Structured Computer Organization de Tanenbaum e ele diz que um dos principais gargalos para aumentar a velocidade do clock da CPU é o calor. Então comecei a pensar: é possível remover completamente o dissipador de calor e usar esse calor para gerar mais eletricidade? Eu estive pesquisando sobre isso e encontrei estes materiais termoelétricos e este gerador termoelétrico :

Li naquele artigo da Wikipedia que "as ligas de silício-germânio são atualmente os melhores materiais termoelétricos em torno de 1000 ° C (...)" e sei que a CPU normalmente opera em torno de 30 ~ 40 ° C. Portanto, chegar a 1000 ° C exigiria mais CPUs.

Então pensei: que tal colocar muitas CPUs em paralelo sem seus dissipadores de calor para reunir mais calor? Também podemos fazer um overclock dessas CPUs e ver quanto calor elas podem gerar.

Mas eu estou preso. Não sei o que pensar a seguir. Nem sei se é uma boa linha de pensamento.

Minha pergunta é: por que não desenvolver algum tipo de dissipador de calor que gera eletricidade a partir do calor da CPU? Sei que alguém já deve ter pensado sobre isso e uma razão para não fazê-lo, mas não consigo descobrir.

Então, por que não é possível?

EDIT para esclarecimento: não quero que as CPUs funcionem a 1000 ° C. Vou listar minhas etapas de raciocínio (não necessariamente corretas), que eram aproximadamente:

1. A velocidade do clock da CPU é limitada pela temperatura de trabalho (T).
2. CPUs geram calor. O calor faz T subir.
3. Os dissipadores de calor cuidam desse calor para manter T = 40 ° C.
4. Substitua o dissipador de calor por gerador termoelétrico (construído a partir de SiGe ou material similar)
5. Coloque muitas CPUs lado a lado para aumentar a geração de calor.
6. O calor sai das CPUs para o TEG, portanto as CPUs permanecem em T = 40 ° C.
7. Isso é possível?
8. Como construir um TEG como esse? Qual material usar?
9. Por que esse dispositivo ainda não existe?
10. Fez esta pergunta.

EDIT2: Vejo que minha ideia é fundamentalmente errada e ruim. Obrigado por todas as respostas e comentários. Desculpe por qualquer mal-entendido.

tl; dr Sim, você pode extrair uma pequena quantidade de energia do calor residual de uma CPU, mas seu dissipador de calor deve ser maior quanto mais energia você deseja extrair.

explicação Não existe uma máquina que converta calor em energia, apenas máquinas que convertem a diferença de calor em energia. No seu caso, essa diferença é aquela entre a temperatura da CPU e a temperatura do ambiente. A eficiência teórica máxima para esse processo é (1 - T_cold / T_hot); portanto, para uma temperatura ambiente de 25 graus C, uma temperatura da CPU de 40 graus C e um fluxo de calor de 50 W, você pode gerar 2,4 watts de eletricidade com um conversor ideal (as temperaturas são temperaturas absolutas em Kelvins). Se você permitir que a CPU atinja 60 graus C, você poderá obter até 5 watts e, se você permitir 100 graus C, poderá obter até 10 watts. Os conversores de calor para energia da vida real são mais ineficientes, especialmente elementos termoelétricos. Eu recomendaria um motor Stirling, mais próximo da eficiência ideal.

É assim que o calor flui com um dissipador de calor passivo:

[CPU] --> [Environment]

A junção CPU-para-ambiente possui uma resistência térmica, medida em Kelvins / Watt, diretamente equivalente a como a resistência elétrica é medida em Volts / Ampere. Você pode ter encontrado valores de Kelvin / Watt em algumas planilhas de dados. Um dissipador de calor ideal tem resistência zero, então a diferença de temperatura é 0 e a CPU opera na temperatura ambiente (25 ° C). Com um dissipador de calor da vida real de 0,5 K / W e um fluxo de calor de 50 W (a CPU gera 50 W de calor), a diferença de temperatura é de 25 K e a CPU está a 50 graus C.

É assim que o calor flui com a sua máquina proposta:

[CPU] --> [Hot end of machine] --> [Cold end of machine] --> [Environment]

Existem resistências térmicas, ou seja, diferenças de temperatura, nos três pontos. Vamos supor que a conexão entre a CPU e a extremidade quente da máquina seja ideal, ou seja, eles estejam na mesma temperatura. A resistência térmica dentro da máquina é usada para gerar eletricidade. A resistência térmica entre a extremidade fria e o ambiente é fornecida pelo dissipador de calor da extremidade fria.

Digamos que o dissipador de calor na extremidade fria seja o mesmo que usamos para a CPU, com 0,5 K / W, e queremos que a CPU esteja a 50 graus C. Então a extremidade fria da máquina já está a 50 graus C, e não pode haver diferença de temperatura sobre a máquina, ou seja, ela não pode gerar energia. Se usarmos um dissipador de calor duas vezes maior (0,25 K / W), o lado frio será de 37,5 graus C e a diferença de temperatura na máquina será de 12,5 graus C, para que possa gerar um pouco de energia.

Qualquer máquina que extrai energia de uma diferença de temperatura apresenta uma resistência térmica igual a (temperature difference)/(Heat flow). A resistência térmica da máquina é adicionada à resistência térmica do dissipador de calor, portanto a temperatura da CPU sempre será mais alta se houver uma máquina no meio.

BTW Alguns overclockers seguem o caminho oposto: eles adicionam um elemento termoelétrico que funciona inversamente, usando energia elétrica para bombear o calor da CPU para o dissipador de calor, criando uma diferença negativa de temperatura. A CPU está na extremidade fria e o dissipador de calor na extremidade quente.

BTW É por isso que as usinas nucleares têm enormes torres de resfriamento, que funcionam como dissipador de calor a frio.

O problema com os geradores termoelétricos é que eles são terrivelmente ineficientes.

Para uma CPU, você PRECISA se livrar do calor que ela produz ou derrete.

Você poderia conectar um módulo de peltier e extrair uma pequena quantidade de eletricidade deles, mas ainda assim precisaria dissipar o restante do calor através de um método clássico de troca de calor. A quantidade de eletricidade gerada provavelmente não seria significativa o suficiente para garantir o custo da instalação.

Você também pode usar peltiers como refrigeradores. No entanto, você precisa adicionar energia para bombear o calor. Essa energia precisa ser dissipada junto com o calor que você está removendo através do trocador de calor. No final, o último precisa ser maior, para que seu efeito líquido seja pior.

Calor ao poder é uma idéia do "Santo Graal" e está lá em cima com fusão a frio como um sonho teórico.

EDITADO POR CLARIDADE

A eficiente conversão DIRETA do calor para a eletricidade é uma idéia do "Santo Graal" e está lá em cima com a fusão a frio como um sonho teórico.

Para gerar eletricidade, você deseja que o lado quente (processador) fique o mais quente possível para obter a máxima eficiência. O gerador térmico reduz a velocidade do movimento do calor enquanto extrai energia dele.

Para fazer cálculos, você deseja que o processador seja o mais frio possível. Temperaturas mais altas aumentam a resistência elétrica do silício. É por isso que você tem dissipadores de calor altamente condutores, ventiladores etc.: para afastar o calor o mais rápido possível.

Esses requisitos se contradizem diretamente.

Surpreso que ninguém mais tenha mencionado isso:

Gerar eletricidade a partir do calor residual de algum processo que queima combustível pode fazer sentido. Gerando eletricidade a partir do calor residual de um sistema que é alimentado por eletricidade em primeiro lugar? Isso não faz sentido. Se você conseguir economizar energia, poderá economizar ainda mais energia criando um sistema que utiliza eletricidade de forma mais eficiente em primeiro lugar.

As leis da termodinâmica afirmam que reunir duas fontes de energia da mesma temperatura não equivale a um nível de energia mais alto. Por exemplo, colocar um copo de água quente em outro copo de água quente não torna a combinação mais quente que os copos separados.

O calor também é uma das formas mais baixas de energia, pois há muito pouco que você pode fazer com ele. A eletricidade pode executar circuitos, o vento pode criar movimento mecânico, mas o calor não pode fazer muito além de colocar mais energia em um fluido ou sólido.

Dito isto, o método mais viável de obter energia do calor é ferver um fluido (água, por exemplo) para transformar uma turbina. Juntar vários dissipadores de calor e anexá-los a uma banheira pode fazer com que a água ferva se todos os processadores estiverem acima de 100 C. Mas, como você provavelmente pode inferir, essa é uma péssima idéia.

Pensamento engraçado, mas não. Sua CPU não é apenas um chip, existem fios de ligação e uma carcaça envolvida, que não teriam exatamente uma chance a 1000 ° C.

Além disso, ainda existem algumas leis da termodinâmica a serem consideradas. Você ainda precisa colocar uma quantidade enorme de energia no sistema para obter muito pouco. O elemento Peltier que você está consultando precisa de um grande dT (diferença entre o lado frio e o lado quente). A simples remoção dos dissipadores de calor trará o lado "frio" para a mesma temperatura do lado quente, para que não haja mais energia aqui, você precisará esfriar o lado frio, o que arruinará ainda mais a eficiência. Por outro lado, esses elementos Peltier podem ser usados ​​para gerar uma diferença de temperatura como no resfriamento da CPU.

Em teoria, é possível . Tudo o que você precisa é de alguma "substância" que gere eletricidade quando uma de suas superfícies estiver em 40c e a outra em 20c.
Atualmente, existem termopares que fazem exatamente isso (alteram o calor para eletricidade), mas a uma temperatura muito mais alta.