Les récolteurs d’énergie quantique alimentent la prochaine génération

Researchers from the Institute of Science, Tokyo, have developed a way to improve energy harvesters for electronics. Their novel approach utilizes quantum mechanics to surpass the thermodynamic limits found in traditional energy harvesting systems. As such, their work has the potential to transform wasted energy into a viable power source for tomorrow’s high-tech devices. Here’s what you need to know.

Collecte d’énergie

La collecte d’énergie est une théorie établie qui désigne simplement la conversion de l’énergie gaspillée émise par l’environnement ou les technologies en puissance pour d’autres appareils. Par le passé, cette science impliquait des concepts tels que l’exploitation de la différence de température entre la surface de l’océan et ses zones plus profondes pour générer de l’énergie. Un exemple célèbre de collecte d’énergie en action serait la tour d’énergie de Nikola Tesla , qui pouvait alimenter une ampoule sans aucun fil.

Aujourd’hui, la collecte d’énergie est un domaine scientifique en pleine expansion qui explore la récupération des déchets énergétiques provenant de divers secteurs. Parmi les exemples figurent les gradients thermiques, les signaux RF et le matériel informatique, jusqu’aux centrales électriques entières. L’un des principaux avantages de la collecte d’énergie est qu’elle offre une méthode abordable et durable pour améliorer l’efficacité et réduire les coûts. Par conséquent, elle gagne en popularité.

Défis limitant l’efficacité de la collecte d’énergie moderne

Les technologies de collecte d’énergie continuent de s’améliorer. Cependant, plusieurs limitations subsistent que les scientifiques devront surmonter pour atteindre des performances optimales. Tout d’abord, les technologies de collecte d’énergie traditionnelles sont soumises aux lois de la thermodynamique, y compris:

Efficacité de Carnot

L’un des principaux facteurs restrictifs limitant la collecte d’énergie aujourd’hui est connu sous le nom d’efficacité de Carnot. Cette loi de la thermodynamique décrit les capacités maximales de transfert thermique et l’efficacité entre des réservoirs de chaleur séparés. Ce pourcentage permet aux scientifiques de prédire exactement combien d’énergie peut être produite à partir de la chaleur résiduelle.

Efficacité de Curzon-Ahlborn

L’efficacité de Curzon-Ahlborn est une autre loi essentielle qui a également limité l’efficacité des récolteurs d’énergie. Elle sert à définir l’efficacité maximale pouvant être obtenue lors d’opérations à pleine puissance. Cette équation, conjointement avec l’efficacité de Carnot, est utilisée par les ingénieurs pour optimiser et améliorer les dispositifs de collecte d’énergie.

Étude quantique pour améliorer l’efficacité de la collecte d’énergie

Conscients de ces limitations, une équipe innovante de chercheurs japonais a adopté une nouvelle approche des technologies de transfert de chaleur. L’étude Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid¹ publiée dans Communications Physics propose une nouvelle stratégie qui exploite la mécanique quantique pour dépasser les limites de la thermodynamique traditionnelle.

Liquide Tomonaga-Luttinger non thermique

Au cœur de l’étude se trouve l’utilisation d’un liquide Tomonaga-Luttinger non thermique pour capturer et transférer l’énergie thermique. L’utilisation de moteurs thermiques quantiques présente plusieurs avantages majeurs. Par exemple, ces moteurs thermiques quantiques exploitent des réservoirs non thermiques — ici, un liquide Tomonaga–Luttinger (TL) non thermique — pour extraire davantage de travail utile que les configurations classiques.

Canaux de bord du quantum Hall (transport 1D)

En utilisant une approche quantique, les ingénieurs ont pu créer un état non thermique naturellement au sein de canaux de bord du quantum Hall personnalisés. Cette méthode repose sur des nanotubes de carbone pour canaliser l’énergie en une seule dimension.

Source – Institute of Science Tokyo

Cette approche permet une fonction de distribution de Fermi binaire de l’état non thermique. Cet état est naturellement induit par une équilibration conservant l’entropie. Notamment, cet état quantique est idéal car il ne subit pas de thermalisation, réduisant ainsi toute énergie thermique gaspillée ou échappée.

Cette stratégie permet au système électronique unidimensionnel de transférer directement l’état thermique. Cette approche conserve l’état à haute énergie sans le disperser comme les technologies de collecte d’énergie précédentes. À partir de là, l’équipe a créé un modèle informatique pouvant être utilisé pour concevoir de futures technologies de collecte d’énergie avec une efficacité accrue.

Test expérimental du récolteur d’énergie quantique

Dans le cadre de leurs recherches, les ingénieurs ont créé un moteur de collecte d’énergie fonctionnel. Le dispositif intégrait une stratégie de liquide Tomonaga-Luttinger (TL) non thermique pour transférer l’énergie des points quantiques d’un transistor à point de contact quantique.
Cette preuve de concept capture la chaleur générée par le transistor à point de contact quantique directement dans le liquide avec une efficacité maximale. Fait intéressant, les points quantiques ont transféré la chaleur dans le liquide TL sur des distances de l’ordre du micromètre, limitant la dispersion.

Résultats des tests d’amélioration des récolteurs d’énergie

Les scientifiques ont été ravis de documenter que leur nouvelle approche surpassait avec succès les méthodes de collecte d’énergie antérieures. L’utilisation du liquide TL non thermique plutôt que du liquide TL quasi-thermalisé a offert une meilleure efficacité de conversion électrique, ainsi qu’une force électromotrice plus élevée.

De manière impressionnante, le récolteur d’énergie thermique à points quantiques a réussi à atteindre une efficacité supérieure à la fois aux limites d’efficacité de Carnot et de Curzon-Ahlborn qui entravaient son prédécesseur. Par conséquent, ce développement représente une étape majeure dans la collecte d’énergie et les technologies quantiques. Glissez pour faire défiler →

Avantages de la technologie de collecte d’énergie quantique

Cette recherche apporte de nombreux avantages au secteur. Tout d’abord, elle démontre une alternative haute performance fonctionnelle aux options de collecte d’énergie traditionnelles. Cette solution peut convertir la chaleur résiduelle en électricité avec une efficacité record, ouvrant la voie à des appareils électroniques plus puissants, des dispositifs quantiques, et plus encore.

Applications réelles et calendrier

L’étude Improving Energy Harvesters ouvre la porte à des technologies de collecte d’énergie plus efficaces et puissantes à l’avenir. Du voyage spatial au maintien de votre smartphone au frais, cette technologie changera la façon dont les ingénieurs conçoivent les appareils. Voici quelques applications potentielles.

Sécurité

Les applications de sécurité bénéficieront grandement de la capacité à récolter l’énergie gaspillée provenant des sites et des appareils qu’elles surveillent. Imaginez des centrales électriques équipées de dispositifs de sécurité fonctionnant 24 h/24 grâce à la chaleur dégagée par leurs turbines, plutôt qu’à l’électricité fournie par le réseau local.

Médical

Le domaine médical trouvera certainement des cas d’utilisation pour cette technologie. Les technologies avancées de collecte d’énergie sont déjà utilisées dans les wearables piézoélectroniques. À l’avenir, les récolteurs d’énergie à points quantiques pourraient aider à prolonger le fonctionnement des appareils à faible consommation, tels que les moniteurs cardiaques, sans risque de contamination de la batterie.

Logistique

Le secteur de la logistique exploitera cette technologie sous forme d’appareils Internet des objets (IoT). Déjà, ces petits capteurs intelligents ont contribué à réduire les inefficacités, la fraude et la contrefaçon. Cependant, leur utilisation a été limitée par les contraintes d’alimentation. Certains peuvent compter sur l’énergie solaire, mais la grande majorité nécessite des batteries ou une connexion directe au réseau.

À l’avenir, les appareils IoT pourront générer de l’énergie à partir de leur environnement. Cette stratégie leur permettra d’être déployés à grande échelle, assurant une surveillance plus efficace de l’industrie logistique de plusieurs milliards de dollars. De plus, cela réduira les coûts liés au suivi et à la sécurisation des appareils.

Exploration spatiale

L’exploration spatiale est l’un des secteurs qui pourrait le plus bénéficier de cette technologie à l’avenir. Déjà, de nombreux travaux sont consacrés à la recherche de méthodes fiables pour alimenter les colonies spatiales. Cette dernière avancée ouvre la voie à des options de collecte d’énergie pour les futurs astronautes et explorateurs nécessitant des alternatives légères.

Calendrier des améliorations des récolteurs d’énergie

Il faudra plus de 10 ans avant de voir un moteur de collecte d’énergie quantique utilisé dans vos appareils électroniques. Cependant, la technologie pourrait être accélérée pour des usages militaires, spatiaux et médicaux. Le cas échéant, des options commerciales pourraient commencer à apparaître d’ici 5 à 7 ans.

Chercheurs des améliorations des récolteurs d’énergie

L’étude sur l’amélioration des récolteurs d’énergie était une collaboration entre le Département de physique de l’Institute of Science, Tokyo, et les Laboratoires de recherche fondamentale de NTT. L’article cite le professeur Toshimasa Fujisawa comme chercheur principal, avec le soutien du chercheur Koji Muraki.

Des recherches supplémentaires et une assistance ont été fournies par Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin et Takafumi Akiho. De plus, le financement du projet a été assuré par la Japan Society for the Promotion of Science et le Ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie.

Avenir des améliorations des récolteurs d’énergie

L’avenir des récolteurs d’énergie s’annonce prometteur. Cette technologie sera essentielle pour maximiser l’efficacité énergétique mondiale et atteindre les objectifs de neutralité carbone fixés par l’Accord de Paris. Pour l’instant, l’équipe travaillera à améliorer son design et à trouver des partenaires de fabrication pour étendre ses opérations.

Investir dans le secteur de l’énergie avancée

Plusieurs entreprises sont en concurrence dans le secteur des récolteurs d’énergie. Ces sociétés cherchent à réduire la pollution et à récupérer l’énergie perdue grâce à leurs dispositifs uniques. Voici une entreprise qui continue de faire preuve d’un esprit d’innovation tout en offrant des produits et services fiables.

Energy Vault

Energy Vault (NRGV ) est entré sur le marché en 2017 pour fournir des sources d’énergie alternatives aux communautés. Les fondateurs de l’entreprise, Robert Allen Piconi et William Gross, ont imaginé exploiter l’énergie potentielle gravitationnelle pour créer de l’énergie via un système de grue.

Cette approche unique a attiré l’attention des investisseurs et des chercheurs dès le lancement. En 2019, l’entreprise a remporté le World Changing Idea Award de Fast Company grâce à son design inédit et à son approche des méthodes de stockage hors réseau. Notamment, la société a construit un système de stockage d’énergie électrique par grue fonctionnel à Castione-Arbedo, en Suisse, en 2020.

Le modèle fonctionnel a montré certaines limites qui ont poussé l’entreprise à se tourner vers de nouvelles options, dont une version ascenseur appelée G-Vault. Comme la version à grue, elle stocke l’énergie en soulevant et en abaissant des blocs.

Aujourd’hui, Energy Vault propose des concepts innovants dans divers secteurs de stockage et de production d’énergie. Récemment, l’entreprise s’est diversifiée vers des méthodes de stockage hybrides, des batteries à hydrogène et d’autres technologies de prochaine génération. Ceux qui souhaitent s’exposer aux marchés énergétiques futurs devraient approfondir leurs recherches sur Energy Vault.

Dernières actualités et performances de l’action BDX (NRGV)

Improving Energy Harvesters | Conclusion

Les travaux de ces chercheurs ouvrent la voie à un avenir plus propre et plus efficace. L’utilisation de la mécanique quantique pour dépasser certaines lois de la thermodynamique montre comment cette technologie contribuera à créer de nouvelles opportunités à l’avenir. En conséquence, cette équipe mérite des éloges pour son travail acharné et ses découvertes révélatrices.

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Références

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}