Wyobraź sobie miasto, w którym czujniki jakości powietrza, liczniki parkowania i nadajniki nie mają akumulatora do wymiany ani paneli fotowoltaicznych do czyszczenia. Zamiast tego korzystają z tego, co już jest, czyli z pulsującej sieci mikrostrat cieplnych wewnątrz elektroniki i otoczenia. Nie chodzi o czerpanie ogromnej mocy z otoczenia, a o sprytne zasilanie tego, co nie pożera zbyt wiele prądu, a i tak wymaga ciągłego dostępu do prądu. Taki właśnie świat mogą stworzyć japońscy naukowcy, którzy przekonują, że takie pozyskiwanie “prądu z niczego” może stać się naszą rzeczywistością znacznie szybciej, niż się spodziewamy.
Koniec z ładowarką w plecaku. Nadchodzi elektronika, która “je ciepło”
Zespół z Tokyo Institute of Technology opracował metodę pozyskiwania energii z egzotycznych stanów kwantowych, która łamie tradycyjne ograniczenia fizyki klasycznej. Podczas gdy konwencjonalne systemy odzysku ciepła są ograniczone przez sprawność Carnota, to kwantowe silniki cieplne potrafią osiągać znacznie wyższą efektywność. Sercem tej technologii jest tak zwana nietermiczna ciecz Tomonaga-Luttingera, a więc specjalny układ elektronów funkcjonujący w jednym wymiarze. Ten niezwykły stan materii ma zdolność utrzymywania wysokoenergetycznego stanu kwantowego w sposób ciągły, opierając się naturalnemu procesowi termalizacji.
To już nie tylko teoria, bo opracowane przez naukowców eksperymentalne urządzenie składało się ze zintegrowanego obwodu cieplnego, gdzie punktowy styk kwantowy pełnił funkcję generatora ciepła, a kropka kwantowa działała jako silnik cieplny. Odległość między tymi elementami wynosiła zaledwie 2 mikrometry, co pokazuje, jak precyzyjne muszą być te układy. Wyniki opublikowane w Communications Physics wskazały z kolei, że nietermiczne stany kwantowe generują napięcie elektryczne na poziomie 130 μV, podczas gdy tradycyjne systemy osiągają jedynie 50 μV przy identycznej ilości dostarczonego ciepła. To ponad dwukrotna poprawa wydajności, co w świecie fizyki stosowanej stanowi znaczący skok.
Te wartości zresztą wskazują, że techniczny sens tej zmiany kryje się w architekturze urządzeń, a nie wyłącznie w samej fizyce. Aby taki odzysk działał w praktyce, to najpierw trzeba przebudować systemy zasilania tak, by minimalizować zapotrzebowanie energetyczne, które najczęściej jest najwyższe podczas sekwencji startowej. Mówimy o kontrolerach, które startują z ułamków mikrodżula, konwerterach podwyższających napięcie z granicznych mikrowoltów i pamięciach, które przechowują stan bez stałego podtrzymania. Innymi słowy, pozyskiwanie energii z powietrza będzie wymagać opracowania specjalnej elektroniki.
Czytaj też: Tego jeszcze nie było. Pierwszy na świecie sensowny akumulator wodorkowy
Równie imponująco prezentuje się sprawność konwersji energii. W warunkach zerowej mocy stany nietermiczne osiągają ponad 60% sprawności, podczas gdy systemy klasyczne zatrzymują się na tym samym maksymalnym progu. Przy maksymalnej mocy różnica jest jeszcze wyraźniejsza, bo technologia kwantowa przekracza 40% sprawności, podczas gdy tradycyjne metody nie są w stanie osiągnąć tego poziomu.
Realne scenariusze wdrożenia kwantowych silników cieplnych
Realny scenariusz wdrożenia nie zacznie się od smartfonów. Najpierw pojawią się punkty, gdzie korzyść jest największa, a ryzyko minimalne, czyli węzły IoT, znaczniki przemysłowe, sensory w trudno dostępnych miejscach i elementy infrastruktury, które dziś żyją z baterii wymienianej raz na kilka lat. Jeśli każdy taki węzeł dostanie kilka procent darmowej energii, to nagle harmonogramy serwisowe i koszty obsługi siatki urządzeń zmienią się bardziej niż wskazania laboratoryjnych mierników.
Drugim polem testowym będą serwerownie i urządzenia brzegowe. Tam ciepło nie jest przypadkiem, a stałym strumieniem, więc w praktyce oznacza to, że nowa metoda może działać jako lokalny, ultraefektywny recykler energii, który zasila własną telemetrię, systemy monitoringu czy mikrokontrolery zarządzające chłodzeniem. Nie chodzi o zasilanie całych serwerowni, a o inteligentne domykanie bilansów, bo każdy procent odzysku zacznie sprawiać, że infrastruktura będzie płacić sama na siebie.
Żeby jednak to wszystko wydarzyło się poza laboratorium, potrzebne są trzy rzeczy. Po pierwsze, podsystemy zasilania urządzeń będą musiały być projektowane w trybie energy-harvesting-ready, czyli oferować miejsca na konwertery startujące z mikrowoltów i kondensatorów buforowanych, które będą dobrane pod impulsowy charakter zasilania. Po drugie, inżynierowie będą musieli opracować nowe metryki sukcesu, bo w takim sektorze, zamiast pytać o maksymalną moc, pytamy o to, jak długo urządzenie utrzyma funkcje krytyczne bez akumulatora i ile cykli budzenia zdoła wykonać na energii, która dziś się marnuje. Po trzecie w grę będzie musiało wejść oprogramowanie, które nie zrobi problemu z niedeterministycznego dopływu energii.