تعتبر مراكز البيانات الذكية من أبرز الابتكارات التكنولوجية التي تسعى لتحقيق كفاءة أعلى في استهلاك الطاقة. في هذا السياق، تلعب الموصلات الفائقة عالية الحرارة دورًا محوريًا في تحسين أداء الشبكات الكهربائية.
مراكز البيانات الذكية تعتمد على الموصلات الفائقة عالية الحرارة
تقوم مراكز البيانات الخاصة بالذكاء الاصطناعي بتغيير مفهوم توليد الطاقة في العالم. لا توجد سعة كافية على الشبكة لتلبية احتياجات الطاقة للمراكز التي يتم بناؤها. كما أن الشبكات التقليدية لنقل وتوزيع الطاقة ليست فعالة بما يكفي للاستفادة الكاملة من كل الطاقة المتاحة. وفقًا لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية (EIA)، فإن متوسط خسائر النقل والتوزيع السنوية يبلغ حوالي 5 في المئة. وتكون النسبة أعلى بكثير في بعض مناطق العالم الأخرى. لذلك، فإن الشركات الكبرى مثل أمازون ويب سيرفيسز، جوجل كلاود ومايكروسوفت أزور تبحث في كل السبل للحصول على المزيد من الطاقة وزيادة الكفاءة.
تروج مايكروسوفت، على سبيل المثال، لمزايا الموصلات الفائقة عالية الحرارة (HTS) كبديل للأسلاك النحاسية. وفقًا للشركة، يمكن أن تحسن HTS كفاءة الطاقة من خلال تقليل خسائر النقل، وزيادة مرونة الشبكات الكهربائية، وتقليل تأثير مراكز البيانات على المجتمعات من خلال تقليل المساحة المطلوبة لنقل الطاقة.
“نظرًا لأن الموصلات الفائقة تحتاج إلى مساحة أقل لنقل كميات كبيرة من الطاقة، يمكن أن تساعدنا في بناء أنظمة أنظف وأكثر إحكامًا”، كتب أليستير سبيرز، المدير العام للبنية التحتية العالمية في مايكروسوفت في منشور مدونة.
النحاس موصل جيد، لكن التيار يواجه مقاومة أثناء تحركه على طول السلك. هذا يولد حرارة، ويقلل الكفاءة، ويقيد كمية التيار التي يمكن نقلها. HTS تقضي إلى حد كبير على هذه المقاومة، حيث إنها مصنوعة من مواد موصلة فائقة يتم تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة جدًا. (على الرغم من الاسم، إلا أن الموصلات الفائقة عالية الحرارة لا تزال تعتمد على درجات حرارة منخفضة – وإن كانت أعلى بكثير من تلك المطلوبة للموصلات الفائقة التقليدية).
تكون الكابلات الناتجة أصغر وأخف من الأسلاك النحاسية، ولا تقلل من الجهد أثناء نقل التيار، ولا تنتج حرارة. وهذا يتناسب تمامًا مع احتياجات مراكز البيانات الذكية التي تحاول ضغط أحمال كهربائية ضخمة في مساحة صغيرة. كما سيكون هناك حاجة إلى عدد أقل من محطات التحويل. وفقًا لسبيرز، فإن خطوط النقل الفائقة التالية تقدم سعة أعلى بمقدار عشرة أضعاف من الخطوط التقليدية عند نفس مستوى الجهد.
تعمل مايكروسوفت مع شركاء على تطوير هذه التكنولوجيا بما في ذلك استثمار بقيمة 75 مليون دولار في فير، مطور تكنولوجيا الطاقة الموصلية الفائقة. تستخدم موصلات فير شريط HTS، والذي يعتمد في الغالب على فئة من المواد المعروفة بأكسيد الباريوم النادر (REBCO). REBCO هو طبقة موصلة فائقة سيراميكية يتم ترسيبها كفيلم رقيق على ركيزة معدنية، ثم يتم هندستها إلى موصل قوي يمكن تجميعه في كابلات الطاقة.
“التمييز الرئيسي عن النحاس أو الألمنيوم هو أنه عند درجة حرارة التشغيل، يحمل الطبقة الموصلية التيار تقريبًا بدون مقاومة كهربائية، مما يمكّن من كثافة تيار عالية جدًا في شكل أكثر إحكامًا”، يقول تيم هايدل، الرئيس التنفيذي ومؤسس فير.
تبريد النيتروجين السائل في مراكز البيانات
روسلان ناغيموف، المهندس الرئيسي للبنية التحتية لعمليات السحابة والابتكار في مايكروسوفت، يقف بالقرب من أول نموذج تجريبي يعمل بالطاقة الموصلية الفائقة في العالم. مايكروسوفت
تعمل كابلات HTS عند درجات حرارة منخفضة جدًا، لذا يجب دمج نظام التبريد في تصميم نظام توصيل الطاقة. تحافظ فير على درجة حرارة تشغيل منخفضة باستخدام نظام مغلق للنيتروجين السائل: يتدفق النيتروجين عبر طول الكابل، ويخرج في الطرف البعيد، ثم يتم إعادة تبريده وإعادته إلى البداية.
“النيتروجين السائل هو مادة وفيرة ومنخفضة التكلفة وآمنة تُستخدم في العديد من التطبيقات التجارية والصناعية الحرجة على نطاق واسع”، يقول هايدل. “نحن نستفيد من الخبرة والمعايير للعمل مع النيتروجين السائل المثبتة في صناعات أخرى لتصميم حلول مستقرة لمراكز البيانات مصممة للعمل المستمر، مع مراقبة وتحكم تتناسب مع توقعات البنية التحتية الحرجة بدلاً من ظروف المختبر.”
يمكن أن يتم تبريد كابلات HTS إما داخل مركز البيانات أو خارجيًا. يفضل هايدل الخيار الأخير لأنه يقلل من المساحة وتعقيد العمليات داخل المبنى. يتم تغذية خطوط النيتروجين السائل إلى المنشأة لتغذية الموصلات الفائقة. إنها توفر الطاقة حيثما كانت مطلوبة، ويتم إدارة نظام التبريد مثل أي نظام فرعي آخر في المنشأة.
تضيف المواد النادرة، وحلقات التبريد، ودرجات الحرارة المنخفضة جدًا، كل ذلك إلى التكاليف بشكل كبير. وبالتالي، لن تحل HTS محل النحاس في الغالبية العظمى من التطبيقات. يقول هايدل إن الاقتصاديات تكون أكثر إقناعًا حيث تكون توصيل الطاقة مقيدة بالمساحة والوزن وانخفاض الجهد والحرارة.
“في تلك الحالات، تظهر القيمة على مستوى النظام: مساحات أصغر، وخسائر مقاومة أقل، ومرونة أكبر في كيفية توصيل الطاقة”، يقول هايدل. “مع توسع التكنولوجيا، يجب أن تتحسن التكاليف من خلال زيادة إنتاج شريط HTS وتحسين العوائد، وأيضًا من خلال توحيد المعدات المحيطة، وممارسات التركيب، وكتيبات التشغيل التي تقلل من تعقيد التصميم ومخاطر النشر.”
تعتبر مراكز البيانات الذكية ساحة اختبار مثالية لهذا النهج. الشركات الكبرى مستعدة للإنفاق لتطوير أنظمة ذات كفاءة أعلى. يمكنهم موازنة الإنفاق على التطوير مقابل الإيرادات التي قد يحصلون عليها من تقديم خدمات الذكاء الاصطناعي على نطاق واسع.
“لقد نضجت صناعة تصنيع HTS – خاصة في جانب الشريط – مما يحسن التكلفة وتوافر الإمدادات”، يقول حسام العيسى، مدير تكنولوجيا الأنظمة في مايكروسوفت. “تركيزنا الحالي هو على التحقق من صحة وتقليل المخاطر لهذه التكنولوجيا مع شركائنا مع التركيز على تصميم الأنظمة والتكامل.”
مع استمرار تطور هذه التكنولوجيا، من المتوقع أن تتغير مراكز البيانات الذكية بشكل جذري، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة وتقليل التأثير البيئي.
