Fizyka kwantowa otwiera nowe możliwości
Wydajność Carnota od 1824 roku wyznaczała teoretyczne maksimum efektywności konwersji ciepła na pracę mechaniczną. Profesor Toshimasa Fujisawa wraz ze swoim zespołem odkryli sposób na obejście tej bariery dzięki wykorzystaniu specjalnego rodzaju materii kwantowej. W drodze do sukcesu badacze zorientowali się, że sposób na jego osiągnięcie kryje się w tzw. płynie Tomonagi-Luttingera. Jest to jednowymiarowy układ elektronowy o niezwykłych właściwościach kwantowych. Badania opublikowane w Communications Physics demonstrują, że ten nietypowy stan materii pozwala na znacznie wydajniejsze przetwarzanie energii cieplnej niż jakakolwiek znana dotąd metoda. Wyniki pomiarów są imponujące: nowa technologia generuje napięcie rzędu 130 mikrowoltów, podczas gdy konwencjonalne podejście osiąga zaledwie 50 mikrowoltów przy tym samym nakładzie energii cieplnej. To ponad dwukrotna poprawa efektywności.
Czytaj też: Japonia wyznacza kierunek w bezprzewodowym przesyłaniu energii. Koniec ery kabli już blisko
Rzeczony płyn powstaje w kanałach brzegowych zjawiska znanego jako kwantowy efekt Halla, obserwowanego w ultracieńkich warstwach półprzewodników. Elektrony zachowują się tam jak cząstki uwięzione w jednowymiarowej przestrzeni, co uniemożliwia ich typową termalizację. Dzięki tej właściwości płyn może utrzymywać stan wysokiej energii przez znacznie dłuższy czas niż konwencjonalne materiały. Zamiast szybko tracić energię poprzez procesy termiczne, zachowuje swój nietermiczny charakter, umożliwiając efektywniejszą konwersję ciepła.
Mechanizm działania nowej technologii
Badacze skonstruowali zaawansowany układ wykorzystujący tranzystor kwantowego punktu kontaktowego jako źródło ciepła. Urządzenie wprowadza ciepło odpadowe bezpośrednio do płynu Tomonagi-Luttingera, który transportuje energię na odległość kilku mikrometrów do silnika cieplnego z kropki kwantowej. Cały proces odbywa się w skali nanometrycznej. Ciepło, które normalnie rozpraszałoby się bezpowrotnie, zostaje przechwycone przez nietermiczny płyn i przekształcone w uporządkowany przepływ elektronów. Ten strumień generuje następnie napięcie elektryczne dzięki zjawiskom kwantowym zachodzącym w kropce kwantowej. Podstawowa różnica w stosunku do tradycyjnych metod polega na wykorzystaniu stanów nietermicznych. Podczas gdy konwencjonalne urządzenia muszą pracować z materiałami dążącymi do równowagi termicznej, nowa technologia wykorzystuje właściwości kwantowe naturalnie opierające się termalizacji.
Wyniki te zachęcają nas do wykorzystywania płynów TL jako nietermicznego zasobu energii do nowych projektów zbierania energii – wyjaśnia Fujisawa
Nowa metoda nie tylko przewyższa wydajność Carnota, ale także pokonuje wydajność Curzona-Ahlborna, czyli praktyczne ograniczenie opisujące maksymalną moc rzeczywistych silników cieplnych. W testach laboratoryjnych stan nietermiczny osiągnął efektywność przekraczającą 60% w granicy zerowej mocy i ponad 40% przy mocy maksymalnej. Dla porównania, stan quasi-termalizowany tego samego materiału nie przekraczał klasycznych limitów. Różnica wynika z unikalnego binarnego rozkładu Fermiego charakterystycznego dla stanów nietermicznych w płynie Tomonagi-Luttingera. Naukowcy opracowali również model teoretyczny opisujący zachowanie elektronów w takim układzie. Model potwierdza, iż entropia stanu nietermicznego pozostaje znacznie niższa niż w przypadku termalizowanego materiału, co bezpośrednio przekłada się na wyższą sprawność konwersji energii.
Jak będzie to wyglądało w praktyce?
Możliwości wykorzystania tego odkrycia wykraczają poza laboratoryjne eksperymenty. Elektronika o niskim poborze mocy mogłaby odzyskiwać energię z ciepła wydzielanego przez procesory i inne komponenty. Wszystkie współczesne urządzenia – od smartfonów po laptopy – generują znaczące ilości ciepła odpadowego, które obecnie jest bezpowrotnie tracone. Szczególnie obiecującym obszarem zastosowań wydają się komputery kwantowe. Te zaawansowane układy wymagają ekstremalnego chłodzenia, jednocześnie generując ciepło podczas obliczeń. Odzyskanie części tej energii mogłoby znacząco poprawić ich efektywność energetyczną. Technologia mogłaby znaleźć zastosowanie również w przemyśle energetycznym, gdzie ogromne ilości ciepła są marnowane w elektrowniach, zakładach produkcyjnych czy centrach danych. Nawet niewielka poprawa efektywności konwersji ciepła odpadowego mogłaby przynieść znaczące oszczędności w skali globalnej.
Największym wyzwaniem pozostaje teraz skalowanie rozwiązania i utrzymanie kwantowych właściwości płynu Tomonagi-Luttingera w warunkach przemysłowych. W fizyce laboratoryjne sukcesy nie zawsze przekładają się na komercyjne zastosowania. Niemniej jednak, samo pokonanie fundamentalnych ograniczeń termodynamiki otwiera nowe możliwości badawcze. Jeśli japońskim naukowcom uda się przezwyciężyć problemy związane ze skalowaniem, może to oznaczać prawdziwy przełom w efektywnym wykorzystaniu energii.