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.

Pendekatan ini memungkinkan fungsi distribusi Fermi biner dari keadaan non-termal. Keadaan ini secara alami dipicu oleh ekuilibrasi yang mempertahankan entropi. Secara khusus, keadaan kuantum ini ideal karena tidak mengalami termalisasi, sehingga mengurangi energi panas yang terbuang atau lepas. Strategi ini memungkinkan sistem elektron satu dimensi mentransfer keadaan panas secara langsung. Pendekatan ini mempertahankan keadaan energi tinggi tanpa menyebarkannya seperti teknologi pengumpulan energi sebelumnya. Dari situ, tim membuat model komputer yang dapat digunakan untuk merancang teknologi pengumpulan energi masa depan dengan efisiensi lebih tinggi.

Uji Eksperimental Pengumpul Energi Kuantum

Sebagai bagian dari penelitian mereka, para insinyur menciptakan mesin pengumpul energi yang berfungsi. Perangkat tersebut mengintegrasikan strategi cairan Tomonaga-Luttinger (TL) non-termal untuk mentransfer energi quantum-dot dari transistor titik kontak kuantum. Bukti konsep ini menangkap panas yang dihasilkan dari transistor titik kontak kuantum secara langsung ke dalam cairan dengan efisiensi maksimum. Menariknya, quantum dot mentransfer panas ke dalam cairan TL melampaui jarak skala mikrometer, membatasi dispersi.

Hasil Uji Pengumpul Energi yang Ditingkatkan

Para ilmuwan senang mendokumentasikan pendekatan baru mereka yang berhasil mengungguli metode pengumpulan energi sebelumnya. Penggunaan cairan TL non-termal dibandingkan cairan TL quasi-termalisasi memberikan efisiensi konversi listrik yang lebih tinggi, serta gaya elektromotif yang lebih besar. Secara mengesankan, pengumpul energi panas quantum dot berhasil mencapai efisiensi yang lebih tinggi daripada batasan efisiensi Carnot dan Curzon-Ahlborn yang menghambat pendahulunya. Akibatnya, pengembangan ini menandai tonggak penting dalam pengumpulan energi dan teknologi kuantum.Geser untuk menggulir →

Jenis Sistem	Batas Efisiensi	Efisiensi Aktual yang Dicapai
Pengumpul Termal Tradisional	≤ 40% (Batas Carnot)	~30%
Mesin Curzon–Ahlborn	≤ 35%	~28%
Mesin Cairan TL Kuantum	Melebihi Batas Klasik	>45% (Eksperimental)

Manfaat Teknologi Pengumpulan Energi Kuantum

Ada banyak manfaat yang dibawa pekerjaan ini ke sektor. Pertama, ini menunjukkan alternatif berkinerja tinggi yang berfungsi dibandingkan opsi pengumpulan energi tradisional. Solusi ini dapat mengubah panas terbuang menjadi listrik dengan efisiensi rekor, membuka pintu bagi elektronik yang lebih kuat, perangkat kuantum, dan lainnya.

Aplikasi Dunia Nyata dan Garis Waktu

Studi Improving Energy Harvesters membuka pintu bagi teknologi pengumpulan energi yang lebih efisien dan kuat di masa depan. Dari perjalanan luar angkasa hingga menjaga smartphone Anda tetap dingin, teknologi ini akan mengubah cara insinyur menciptakan perangkat. Berikut beberapa aplikasi potensial.

Keamanan

Aplikasi keamanan akan sangat diuntungkan oleh kemampuan memanen energi terbuang dari lokasi dan perangkat yang mereka pantau. Bayangkan pembangkit listrik yang memiliki perangkat keamanan 24 jam yang dipenuhi daya oleh panas yang dihasilkan turbin mereka, dibandingkan daya yang dihasilkan dari jaringan listrik lokasi.

Medis

Bidang medis pasti akan menemukan skenario penggunaan untuk teknologi ini. Teknologi pengumpulan energi canggih sudah digunakan dalam perangkat wearable piezo-elektronik. Di masa depan, pengumpul energi quantum dot dapat membantu perangkat berdaya rendah seperti monitor jantung berfungsi lebih lama tanpa risiko kontaminasi baterai.

Logistik

Sektor logistik akan memanfaatkan teknologi ini dalam bentuk perangkat Internet of Things (IoT). Saat ini, sensor pintar kecil ini telah membantu mengurangi ketidakefisienan, penipuan, dan pemalsuan. Namun, penerapannya terbatas karena kendala daya. Sementara beberapa dapat mengandalkan energi surya, mayoritas besar memerlukan baterai atau sambungan langsung ke jaringan.

Di masa depan, perangkat IoT akan dapat menghasilkan energi dari lingkungan sekitarnya. Strategi ini akan memungkinkan mereka untuk diskalakan, sehingga memantau industri logistik bernilai miliaran dolar menjadi lebih efisien. Selain itu, akan menurunkan biaya yang terkait dengan pelacakan dan pengamanan perangkat.

Eksplorasi Luar Angkasa

Eksplorasi luar angkasa adalah salah satu sektor yang dapat memperoleh manfaat terbesar dari teknologi ini di masa depan. Saat ini, banyak upaya yang dilakukan untuk menemukan metode andal dalam memberi daya pada koloni luar angkasa. Karya terbaru ini membuka pintu bagi opsi pengumpulan energi bagi astronot dan penjelajah masa depan yang membutuhkan alternatif ringan.

Garis Waktu Pengumpul Energi yang Ditingkatkan

Akan memakan waktu lebih dari 10 tahun sebelum Anda melihat mesin pengumpul energi kuantum digunakan dalam perangkat elektronik Anda. Namun, teknologi ini dapat dipercepat untuk keperluan militer, luar angkasa, dan medis. Jika demikian, opsi komersial dapat mulai muncul dalam 5-7 tahun ke depan.

Peneliti Pengumpul Energi yang Ditingkatkan

Studi pengumpul energi yang ditingkatkan merupakan kolaborasi antara Departemen Fisika di Institute of Science, Tokyo, dan NTT Basic Research Laboratories. Makalah tersebut mencantumkan Profesor Toshimasa Fujisawa sebagai peneliti utama dengan dukungan dari Peneliti Koji Muraki.

Penelitian dan bantuan tambahan diberikan oleh Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin, dan Takafumi Akiho.  Selain itu, pendanaan proyek disediakan oleh Japan Society for the Promotion of Science dan Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Ilmu Pengetahuan, dan Teknologi.

Masa Depan Pengumpul Energi yang Ditingkatkan

Masa depan pengumpul energi tampak menjanjikan. Teknologi ini akan menjadi penting untuk memaksimalkan efisiensi energi global dan mencapai target karbon net-zero yang ditetapkan dalam Perjanjian Paris. Untuk saat ini, tim akan bekerja meningkatkan desain mereka dan mencari mitra manufaktur untuk memperluas operasi.

Berinvestasi di Sektor Energi Tinggi

Ada beberapa perusahaan yang bersaing di sektor pengumpul energi. Perusahaan-perusahaan ini berupaya mengurangi polusi dan membantu memulihkan energi yang hilang melalui perangkat unik mereka. Berikut satu perusahaan yang terus menunjukkan semangat inovatif sambil menyediakan produk dan layanan yang dapat diandalkan.

Energy Vault

Energy Vault (NRGV ) memasuki pasar pada tahun 2017 untuk menyediakan sumber energi alternatif bagi komunitas. Pendiri perusahaan, Robert Allen Piconi dan William Gross, membayangkan memanfaatkan energi potensial gravitasi untuk menghasilkan energi melalui sistem crane.

Pendekatan unik ini menarik perhatian investor dan peneliti sejak peluncuran. Pada tahun 2019, perusahaan memenangkan Fast Company’s World Changing Idea Award karena desain dan pendekatannya yang unik terhadap metode penyimpanan off-grid. Secara khusus, perusahaan kemudian membangun sistem penyimpanan energi listrik berbasis crane yang berfungsi di Castione-Arbedo, Swiss, pada tahun 2020.

Model yang berfungsi menunjukkan beberapa keterbatasan yang menyebabkan perusahaan beralih ke opsi baru, termasuk versi elevator yang disebut G-Vault. Seperti versi crane, ia menyimpan energi dengan mengangkat dan menurunkan blok.

Saat ini, Energy Vault memiliki konsep inovatif di berbagai sektor penyimpanan dan produksi energi. Baru-baru ini, perusahaan telah memperluas ke metode penyimpanan hibrida, baterai hidrogen, dan teknologi generasi berikutnya lainnya. Mereka yang ingin mendapatkan eksposur ke pasar energi masa depan sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang Energy Vault.

Berita dan Kinerja Saham BDX (NRGV) Terbaru

Pengumpul Energi yang Ditingkatkan | Kesimpulan

Pekerjaan yang dilakukan oleh para peneliti ini membuka pintu bagi masa depan yang lebih bersih dan lebih efisien. Penggunaan mekanika kuantum untuk mengatasi beberapa hukum termodinamika menunjukkan bagaimana teknologi ini akan membantu menciptakan peluang baru ke depan. Oleh karena itu, tim ini pantas mendapat pujian atas kerja keras dan penemuan yang membuka mata.

Pelajari Terobosan Energi Keren Lainnya Di sini

Referensi

^{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}