Pengumpul Energi Kuantum Menggerakkan Generasi Berikutnya

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.

Pengumpulan Energi

Pengumpulan energi adalah teori yang sudah mapan yang secara sederhana merujuk pada konversi energi terbuang yang dilepaskan oleh lingkungan atau teknologi menjadi daya untuk perangkat lain. Di masa lalu, ilmu ini melibatkan konsep seperti memanfaatkan perbedaan suhu antara permukaan laut dan daerah yang lebih dalam untuk menghasilkan daya. Salah satu contoh terkenal pengumpulan energi yang beraksi adalah menara energi Nikola Tesla, yang dapat menyalakan bohlam tanpa kabel. Saat ini, pengumpulan energi merupakan bidang ilmiah yang berkembang yang mengeksplorasi pemanenan energi terbuang dari berbagai sumber. Beberapa contoh meliputi gradien termal, sinyal RF, dan perangkat keras komputasi, hingga seluruh pembangkit listrik. Salah satu keunggulan utama pengumpulan energi adalah memberikan cara yang terjangkau dan berkelanjutan untuk meningkatkan efisiensi serta menurunkan biaya. Akibatnya, popularitasnya terus meningkat.

Tantangan yang Membatasi Efisiensi Pengumpulan Energi Modern

Teknologi pengumpulan energi terus berkembang. Namun, masih ada beberapa keterbatasan yang harus diatasi ilmuwan untuk mencapai kinerja optimal. Salah satunya, teknologi pengumpulan energi tradisional terikat pada hukum termodinamika, termasuk:

Efisiensi Carnot

Salah satu faktor pembatas utama yang membatasi pengumpulan energi saat ini dikenal sebagai efisiensi Carnot. Hukum termodinamika ini menjelaskan kemampuan maksimum transfer termal dan efisiensi antara reservoir panas yang terpisah. Persentase ini memungkinkan ilmuwan memprediksi secara tepat berapa banyak energi yang dapat dihasilkan dari panas terbuang.

Efisiensi Curzon-Ahlborn

Efisiensi Curzon-Ahlborn adalah hukum penting lain yang juga membatasi efektivitas pengumpul energi. Hukum ini digunakan untuk menentukan efisiensi maksimum yang dapat dicapai pada operasi daya penuh. Persamaan ini, bersama dengan Efisiensi Carnot, digunakan oleh insinyur untuk mengoptimalkan dan meningkatkan perangkat pengumpul energi.

Studi Kuantum untuk Meningkatkan Efisiensi Pengumpulan Energi

Menyadari keterbatasan ini, tim peneliti inovatif dari Jepang telah mengambil pendekatan baru terhadap teknologi transfer panas. Studi Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid¹ yang dipublikasikan dalam Communications Physics memperkenalkan strategi baru yang memanfaatkan mekanika kuantum untuk melampaui batas termodinamika tradisional.

Cairan Tomonaga-Luttinger Non-Termal

Inti dari studi ini adalah penggunaan Cairan Tomonaga-Luttinger Non-Termal untuk menangkap dan memigrasikan energi panas. Penggunaan mesin panas kuantum memiliki beberapa keunggulan utama. Misalnya, mesin panas kuantum ini memanfaatkan reservoir non-termal—dalam hal ini, cairan Tomonaga–Luttinger (TL) non-termal—untuk mengekstrak kerja yang lebih berguna dibandingkan pengaturan klasik.

Kanal Tepi Quantum Hall (Transportasi 1D)

Dengan memanfaatkan pendekatan kuantum, para insinyur dapat menciptakan keadaan non-termal secara alami dalam kanal tepi Quantum Hall yang disesuaikan. Pendekatan ini bergantung pada nanotube karbon untuk memecah energi menjadi satu dimensi.

Sumber – Institute of Science Tokyo