Kühl kalkuliert

Elektronik und Flüssigkeit vertragen sich nicht gut – das weiß jedes Kind. Lucas Voigt arbeitet daran, diese Gewissheit zu widerlegen: In einem Labor am Evonik-­Standort Darmstadt öffnet der Ingenieur einen Serverschrank, zieht eine der Schubladen mit einem blinkenden Computermodul heraus und hebt sie an. Eine ölige Flüssigkeit tropft von Leiterplatten, Prozessoren und Speichermodulen.

Was auf den ersten Blick aussieht wie ein Totalschaden, ist gewollt. Der gesamte Server war auf Tauchgang in einer Kühlflüssigkeit. „Der Technik macht das nichts aus“, sagt Voigt. Im Testmaßstab erprobt er gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen biologisch abbaubare Fluide für die sogenannte Immersionskühlung. Sie ist eine Antwort auf zentrale Fragen der IT-Branche: Wie können die Hochleistungsrechner gekühlt werden, wenn ein kalter Luftstrom nicht mehr ausreicht? Und wie könnte man die Abwärme für andere Zwecke verwenden?

Der KI-Boom befeuert das Hitzeproblem. Die großen amerikanischen Technologiekonzerne wie Amazon, Micro­soft, Alphabet und Meta werden 2026 voraussichtlich 620 Milliarden US-Dollar in Rechenzentren investieren. Für ihre Arbeitslast brauchen die Unternehmen immer leistungsfähigere Chips. Die KI-Modelle laufen auf Grafikprozessoren (GPUs), die in der Lage sind, unfassbare Mengen an Daten in kürzester Zeit zu verarbeiten.

Eine zentrale Kennzahl ist die Leistungsaufnahme, gemessen in Kilowatt (kW) pro Rack (Serverschrank). Standardrechenzentren sind auf 5 bis 10 kW pro Rack ausgelegt, KI-optimierte Einrichtungen bewältigen 40 bis 80 kW.

„Die aktuelle Nvidia-Generation benötigt bereits so viel Strom wie ein Einfamilienhaus, die nächste nochmals deutlich mehr“, sagt Dieter Kranzl­müller, Lehrstuhlinhaber an der LMU München und Vorsitzender des Direktoriums des Leibniz-Rechenzentrums. Wer heute ein neues Rechenzentrum baut, muss also für Leistungsdichten planen, die vor zwei Jahren noch nicht existierten. Netzanschlüsse und Stromverteilung müssen auf neue Dimensionen ausgerichtet werden. Chips wandeln beinahe ihre gesamte aufgenommene elektrische Energie letztlich in Wärme um. Mit der Leistung steigt deshalb auch die Hitze­entwicklung im Server. Entscheidend ist, für ausreichend Kühlung zu sorgen.

„Der Bedarf an neuen Kühlsystemen steigt, denn mit zunehmender Leistung stoßen etablierte Konzepte an ihre Grenzen. Effiziente Kühlung wird zum Nadelöhr für Betreiber von Rechenzentren“, sagt Mario Gomez. Der Chemiker leitet das Programm zur Entwicklung von Immersionskühlung bei Evonik als einen Teilbereich des Geschäfts mit Öladditiven. Gemeinsam mit Lucas Voigt und weiteren Kollegen will er eine Alternative zu bestehenden Kühltechnologien schaffen.

Bislang werden vor allem zwei Verfahren angewendet. Der Standard ist die Luftkühlung: Dabei strömt Luft durch die Serverracks, nimmt Wärme auf und gibt diese über Kühlsysteme an die Umgebung ab.

Diese Art der Kühlung eignet sich weiterhin für herkömmliche Rechenzentren. Im KI-Zeitalter jedoch, in dem die Großrechner laufend mehr Wärme erzeugen, reicht Luft nicht mehr. Das Problem ist weniger die Temperatur in einzelnen Serverracks als vielmehr die ­extrem hohe Wärmedichte einzelner KI-Chips. Um an diesen „Hotspots“ mit herkömmlichen Verfahren konstant Hitze abzuführen, wären riesige Lüfter nötig. Der Stromverbrauch würde noch stärker ansteigen.

In KI-Rechenzentren wird die Luftkühlung deshalb heute oft um ein weiteres Verfahren ergänzt: die Direct-to-Chip-Kühlung (DTC). Hier fließt eine Flüssigkeit – in der Regel ein Gemisch aus Wasser und Glykol – direkt an den besonders wärmeintensiven Bauteilen im Server vorbei. Sie nimmt die Abwärme somit direkt an der Quelle auf. Die Flüssigkeit fließt anschließend durch einen Wärmetauscher, wird dort wieder abgekühlt und zurück zum Chip geführt.

Die kombinierte Luft-und DTC-Kühlung hält derzeit die meisten Rechenzentren zuverlässig in Betrieb. Doch auch diesem Verfahren sind mit Blick auf die rapiden Entwicklungsschritte in der Chiparchitektur und Server­leistung Grenzen gesetzt. Beim Training eines KI-Modells laufen zahlreiche Grafikprozessoren über lange Zeit mit konstant hoher Auslastung – bei entsprechender Wärmeentwicklung.

Ein drittes Kühlverfahren könnte einen Paradigmenwechsel einläuten: die Immersionskühlung, auch Tauchkühlung genannt. Dabei wird der gesamte Server in dielektrischen Fluiden versenkt. Das sind Flüssigkeiten, die Strom nicht leiten, etwa Mineralöle oder Esterverbindungen. Ein Rechner kann darin komplett eingetaucht werden. Die elektronischen Bauteile stehen direkt mit der Flüssigkeit in Berührung, ohne dass es einen Kurzschluss oder andere Schäden gäbe. Noch kommt die Technologie nicht im großen Maßstab in Rechenzentren zum Einsatz. Doch das könnte sich ändern.

Die Evonik-Experten Mario Gomez und Lucas Voigt wollen der Immersionskühlung zur breiten Anwendung verhelfen, indem sie die Chemie dafür bereitstellen. „Im Markt für die Fluide ist gerade viel in Bewegung“, sagt Gomez. „Natürlich arbeiten andere Anbieter an vergleichbaren Produkten. Doch Evonik ist früh dran und verfolgt einen Ansatz mit biologisch abbaubaren Sub­stanzen. Das ist eine große Chance für uns.“

Der globale Markt für Kühlflüssigkeiten in Rechenzentren soll laut dem Analyseunternehmen Markets and Markets bis 2032 mit einer jährlichen Wachstumsrate von über 30 Prozent auf circa zwei Milliarden US-Dollar anwachsen, wovon etwa die Hälfte für Immersionskühlung erwartet wird. Etwa die Hälfte davon könnte auf Fluide für die Immersionskühlung entfallen. ­Evonik adressiert den entstehenden Markt mit biologisch abbaubaren Fluiden auf Esterbasis. Dabei können die Experten auf die langjährige Erfahrung des Unternehmens im Bereich Öl- und Schmierstoffadditive zurückgreifen.

Gegenüber den etablierten Kühltechnologien hat die Tauchkühlung von Servern laut Gomez diverse Vorteile: „Sie ermöglicht einen besonders effizienten Wärme­austausch, weil die elektronische Hardware direkt von der Kühlflüssigkeit umgeben ist.“ Die Tauch­kühlung erlaubt zudem den Betrieb bei deutlich höheren Leistungsdichten, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung bestünde. „Die gleichmäßige Kühlung reduziert thermische Schwankungen. Das ist gut für die Lebensdauer der Serverkomponenten“, erklärt der Chemiker weiter. Hinzu kommt: Mehr Server passen auf die gleiche Fläche, während der Bedarf an weiteren Kühlsystemen sinkt. Das spart Platz, Energie und Betriebskosten.

Die Fluide für Immersionskühlsysteme müssen leicht zu handhaben, toxikologisch unbedenklich und umweltfreundlich sein. Auch chemische Stabilität ist essenziell, um ihre Leistung über Jahre hinweg ohne Austausch sicherzustellen.

Diese Anforderungen zu erfüllen ist die Aufgabe von Holger Becker. Der Chemielaborant bei Evonik testet die Eigenschaften jener Esterfluide, die später im Server elektrische Bauteile umspülen werden. Bei mehr als 30 verschiedenen Kandidaten hat er Viskosität, Flammpunkt, Dichte, thermische und elektrische Leitfähigkeit bereits untersucht. „Die Eier legende Wollmilchsau gibt es nicht“, sagt er. „Wir suchen die beste Kombination.“ Dabei unterstützt ihn – ausgerechnet – künstliche Intelligenz. Sie schlägt Esterfluide vor, die aufgrund ihrer Eigenschaften besonders vielversprechend erscheinen.

Um die Kabel zu testen, legt Becker sie in die Esterfluide und stellt sie dann für mehrere Wochen in den Heizblock, eine Art Ofen. Dort zeigt sich, ob das Material auch einen längeren Zeitraum unbeschadet übersteht.

Die aussichtsreichsten Fluide gehen an Lucas Voigt ins Testlabor. Dort steht jener Serverrack, mit dem ­Evonik die Flüssigkeiten unter realitätsnahen Bedingungen prüft. Zur besseren Vergleichbarkeit durchlaufen die Servereinheiten dabei ein festes Programm. „Die Tests sollen zeigen, welche Fluide sich in der Praxis bewähren und die gewünschte Leistung erzielen“, sagt Mario Gomez.

So will sich Evonik als Partner in der entstehenden Wertschöpfungskette rund um die Immersionskühlung positionieren. Das Ziel: ein Portfolio, das sowohl einzelne Esterkomponenten als auch maßgeschneiderte Mischungen umfasst. Entscheidend ist dabei zunächst die Zusammenarbeit mit den Herstellern der Kühlsysteme. Sie liefern Tanks, Kassetten und Leitungen und müssen gewährleisten, dass Fluide und Hardware dauerhaft zuverlässig zusammenspielen. Perspektivisch werden auch Serverhersteller selbst eine wichtige Rolle einnehmen, da sie derartige Programme zur Validierung der Fluide vermehrt in direkter Kooperation mit den Tankherstellern anbieten.

Dabei geht es nicht nur um künftige Rechenzentren. Auch bestehende Anlagen, die auf Luftkühlung ausgelegt sind, könnten auf Tauchkühlung umgebaut werden, sofern sie kompatibel sind. Ein Start-up aus den Niederlanden hat sich genau das zum Ziel gesetzt. iXora entwickelt Kassetten, in denen einzelne Server in dielek­trischer Flüssigkeit betrieben werden können. Der Clou: Statt die Serverschränke in Tanks zu tauchen, kann die Technologie in die weit verbreiteten 19-Zoll-Standardracks integriert werden. Die Schränke selbst stehen weiter im Trockenen und bleiben zugänglich für Wartungsarbeiten.

Die Immersionskühlung bringt einen weiteren Vorteil mit, der perspektivisch an Gewicht zulegen dürfte: Die Fluide transportieren Wärme auf höherem Temperaturniveau als andere Kühlmittel. Das macht sie für die Einspeisung in Heizsysteme attraktiv. Könnten Server somit zu Lieferanten von Rechenleistung und Wärme gleichzeitig werden? „Das ist keine Vision mehr, sondern schon Realität“, sagt Patrick Petzenhauser von der Lindner Group. Er leitet ein Projekt, mit dem der Gebäudetechnikhersteller die Abwärme von Servern in Heizungen überführt und sie so nutzbar machen will.

Kern des Projekts ist ein Modul namens BitHeat, das an das Heizungsnetz eines Gebäudes angeschlossen werden kann. Das Gerät benötigt weniger als einen halben Quadratmeter Platz, in seinem Innern treffen zwei Flüssig­keits­kreisläufe aufeinander: Ein Fluid transportiert Serverabwärme in einen Wärmetauscher. Dort geht die thermische Energie wiederum in den Wasserkreislauf über.

„Damit dieses Wasser effektiv zum Heizen genutzt werden kann, muss es 55 bis 60 Grad Celsius heiß sein. Mit der Immersionskühlung erreichen wir diese Zieltemperatur“, berichtet Petzenhauser. Gemeinsam mit Partnern wie Evonik arbeitet er bei Lindner daran, die Schnittstellen zwischen Servern, Kühlfluiden und Gebäude­technik zu optimieren.

Eingesetzt wird das BitHeat-Modul bislang nicht in zentralen Rechenzentren, sondern dort, wo Server lokal arbeiten – in Technikräumen von Hotels oder Bürogebäuden. Bei einer größeren Anzahl von Servern sei es möglich, mehrere der Geräte an einem Ort zu betreiben, sagt Petzenhauser. Mit seinem Team prüft er die Skalierung in mehrere Richtungen. Eine Anwendungsmöglichkeit sieht der Experte in Fabriken, schließlich erfordern nicht wenige industrielle Produktionsprozesse eine Energiezufuhr in Form von Wärme. Im Falle größerer Rechenzentren hält Petzenhauser lokale Quartierskonzepte für denkbar: Kommunen oder Stadtteile werden per Nahwärmenetz von einer Serverfarm versorgt, bei dezentralen Rechnern wird die Wärme wiederum direkt im Gebäude genutzt. „Die Wärme ist sowieso da. Es wäre doch schade, sie nicht zu nutzen“, sagt er.

Von der Chemie über die Serverinfrastruktur bis in die Fußbodenheizung eines Büros kann eine Wertschöpfungskette entstehen. Mit den biobasierten Fluiden aus Darmstadt will Evonik ein Teil davon werden. Wird sich von hier aus die Immersionskühlung im großen Stil etablieren? „Am Ende des Tages bestimmt die Arbeitslast von Servern die Kühlstrategie“, sagt Mario Gomez. In Zeiten explosionsartig wachsender KI-Workloads kann sich Immersionskühlung jedoch von einer Nische zum Schlüsselkonzept entwickeln. Wo Server ­extreme Leistungsdichten erreichen, wird die Technologie zu einer echten Option. Und auch dort, wo die entstehende Abwärme möglichst effizient genutzt werden soll. So könnte Immersionskühlung in mehrfacher Hinsicht eine Wärmewende im Zeitalter der künstlichen Intelligenz einläuten.