I raccoglitori di energia quantistica alimentano la prossima generazione

I ricercatori dell’Institute of Science di Tokyo hanno sviluppato un metodo per migliorare i raccoglitori di energia destinati ai dispositivi elettronici. Il nuovo approccio usa la meccanica quantistica per superare i limiti termodinamici dei sistemi tradizionali. Il lavoro potrebbe quindi trasformare l’energia sprecata in una fonte utile per i dispositivi avanzati del futuro. Ecco cosa occorre sapere.

Raccolta di energia

La raccolta di energia è un concetto consolidato che consiste nel convertire l’energia dispersa dall’ambiente o dalle tecnologie in elettricità per altri dispositivi. In passato, il settore studiava idee come sfruttare la differenza di temperatura tra la superficie dell’oceano e le acque profonde. Un esempio celebre è la torre energetica di Nikola Tesla, capace di alimentare una lampadina senza fili.

Oggi la raccolta di energia è un campo scientifico in crescita che recupera le perdite da gradienti termici, segnali in radiofrequenza, hardware informatico e persino intere centrali. Un vantaggio fondamentale è la possibilità di aumentare l’efficienza e ridurre i costi in modo economico e sostenibile, motivo per cui la tecnologia è sempre più diffusa.

Limiti all’efficienza della moderna raccolta di energia

Le tecnologie continuano a migliorare, ma gli scienziati devono ancora superare diversi limiti per ottenere prestazioni ottimali. Le soluzioni tradizionali, per esempio, sono vincolate dalle leggi della termodinamica, tra cui:

Efficienza di Carnot

Uno dei principali fattori limitanti è l’efficienza di Carnot. Questa legge della termodinamica descrive la massima capacità di trasferimento del calore e l’efficienza tra serbatoi termici separati. La percentuale consente di prevedere con precisione quanta energia possa essere prodotta dal calore di scarto.

Efficienza di Curzon-Ahlborn

L’efficienza di Curzon-Ahlborn è un’altra legge fondamentale che limita i raccoglitori. Definisce il rendimento massimo ottenibile durante il funzionamento a piena potenza. Gli ingegneri la usano insieme all’efficienza di Carnot per ottimizzare e migliorare i dispositivi.

Studio quantistico per migliorare l’efficienza della raccolta di energia

Riconoscendo questi limiti, un gruppo innovativo di ricercatori giapponesi ha adottato un nuovo approccio al trasferimento termico. Pubblicato su Communications Physics, lo studio Conversione efficiente di energia termica da un liquido di Tomonaga-Luttinger non termico¹ presenta una strategia che sfrutta la meccanica quantistica per superare i limiti della termodinamica tradizionale.

Liquido Tomonaga-Luttinger non termico

Al centro dello studio vi è l’uso di un liquido di Tomonaga-Luttinger non termico per catturare e trasportare energia termica. I motori termici quantistici offrono vantaggi importanti: in questo caso utilizzano un serbatoio non termico, cioè un liquido di Tomonaga-Luttinger (TL), per estrarre più lavoro utile rispetto ai sistemi classici.

Canali di bordo del Quantum Hall (trasporto 1D)

Con un approccio quantistico, gli ingegneri hanno creato naturalmente uno stato non termico all’interno di canali di bordo Hall quantistici personalizzati. Il metodo si affida a nanotubi di carbonio per confinare il trasferimento di energia in una dimensione.

L’approccio produce una funzione binaria di distribuzione di Fermi nello stato non termico, indotta naturalmente da un’equilibrazione che conserva l’entropia. Lo stato quantistico è particolarmente adatto perché non subisce termalizzazione, riducendo la dispersione del calore.

La strategia consente al sistema elettronico monodimensionale di trasferire direttamente lo stato termico. Mantiene l’elevata energia senza disperderla come le tecnologie precedenti. Il team ha quindi creato un modello informatico utilizzabile per progettare futuri raccoglitori più efficienti.

Prova sperimentale del raccoglitore di energia quantistico

Nell’ambito della ricerca, gli ingegneri hanno costruito un motore funzionante. Il dispositivo integrava un liquido di Tomonaga-Luttinger (TL) non termico per trasferire l’energia dei punti quantici da un transistor a contatto puntiforme quantistico.

La prova di concetto cattura con la massima efficienza il calore generato dal transistor e lo trasferisce direttamente al liquido. I punti quantici hanno trasportato calore nel liquido TL per distanze dell’ordine dei micrometri, limitandone la dispersione.

Risultati dei test sui raccoglitori di energia migliorati

Gli scienziati hanno documentato che il nuovo approccio supera i precedenti metodi di raccolta. Il liquido TL non termico ha fornito una maggiore efficienza di conversione elettrica e una forza elettromotrice superiore rispetto a quello quasi termalizzato.

Il raccoglitore termico a punti quantici ha raggiunto un rendimento superiore ai limiti di Carnot e Curzon-Ahlborn che ostacolavano il predecessore. Il risultato rappresenta quindi un’importante pietra miliare per la raccolta di energia e le tecnologie quantistiche.
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Tipo di sistema	Limite di efficienza	Efficienza reale raggiunta
Raccoglitore termico tradizionale	≤ 40% (Limite di Carnot)	~30%
Motore Curzon–Ahlborn	≤ 35%	~28%
Motore a liquido TL quantistico	Supera i limiti classici	>45% (Sperimentale)

Benefici della tecnologia di raccolta di energia quantistica

Il lavoro offre numerosi vantaggi al settore. Dimostra innanzitutto un’alternativa funzionante e ad alte prestazioni alle opzioni tradizionali. La soluzione converte il calore di scarto in elettricità con efficienza record e apre la strada a dispositivi elettronici e quantistici più potenti.

Applicazioni reali e tempistica

Lo studio sui raccoglitori di energia migliorati apre la strada a tecnologie future più efficienti e potenti. Dai viaggi spaziali agli smartphone più freschi, cambierà il modo in cui gli ingegneri progettano i dispositivi. Ecco alcune potenziali applicazioni.

Sicurezza

Le applicazioni di sicurezza trarranno grande beneficio dalla possibilità di recuperare energia nei luoghi e nei dispositivi sorvegliati. Si pensi a centrali con apparati di sicurezza attivi 24 ore su 24, alimentati dal calore delle turbine invece che dalla rete elettrica locale.

Medicina

Il settore medico troverà certamente impieghi per questa tecnologia. Sistemi avanzati sono già usati nei dispositivi piezoelettrici indossabili. In futuro, i raccoglitori a punti quantici potrebbero far funzionare più a lungo apparati a basso consumo, come i cardiofrequenzimetri, senza il rischio di contaminazione delle batterie.

Logistica

La logistica userà la tecnologia nei dispositivi Internet of Things (IoT). Questi piccoli sensori intelligenti contribuiscono già a ridurre inefficienze, frodi e contraffazione, ma i vincoli energetici ne limitano l’uso. Alcuni sfruttano il solare, mentre la maggior parte richiede batterie o un collegamento diretto alla rete.

In futuro i dispositivi IoT potranno generare energia dall’ambiente. La strategia ne consentirà l’adozione su larga scala e un monitoraggio più efficiente dell’enorme industria logistica, valutata miliardi. Ridurrà inoltre i costi di tracciamento e protezione degli apparati.

Esplorazione spaziale

L’esplorazione spaziale è uno dei settori che potrebbero trarre il massimo beneficio. Sono già in corso molti lavori per trovare metodi affidabili con cui alimentare colonie nello spazio. La ricerca apre nuove possibilità per astronauti ed esploratori che necessitano di alternative leggere.

Timeline dei miglioramenti dei raccoglitori di energia

Serviranno probabilmente più di dieci anni prima di vedere un motore quantistico di raccolta nei dispositivi elettronici comuni. Lo sviluppo potrebbe però accelerare per usi militari, spaziali e medici; in tal caso, le prime soluzioni commerciali potrebbero comparire entro cinque-sette anni.

Ricercatori dei miglioramenti dei raccoglitori di energia

Lo studio è nato dalla collaborazione tra il Dipartimento di Fisica dell’Institute of Science di Tokyo e gli NTT Basic Research Laboratories. L’articolo indica il professor Toshimasa Fujisawa come responsabile, con il sostegno del ricercatore Koji Muraki.

Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin e Takafumi Akiho hanno fornito ulteriore ricerca e assistenza. Il progetto è stato finanziato dalla Japan Society for the Promotion of Science e dal Ministero dell’Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia.

Futuro dei miglioramenti dei raccoglitori di energia

Il futuro dei raccoglitori è promettente. La tecnologia sarà essenziale per massimizzare l’efficienza energetica globale e raggiungere gli obiettivi di neutralità carbonica dell’Accordo di Parigi. Per ora il team migliorerà il progetto e cercherà partner produttivi con cui ampliare le attività.

Investire nel settore energetico avanzato

Diverse aziende competono nel settore. Cercano di ridurre l’inquinamento e recuperare energia perduta con dispositivi propri. Di seguito è presentata una società che continua a dimostrare spirito innovativo offrendo prodotti e servizi affidabili.

Energy Vault

Energy Vault (NRGV ) è stata fondata nel 2017 per fornire fonti energetiche alternative alle comunità. I fondatori Robert Allen Piconi e William Gross concepirono un sistema di gru che sfrutta l’energia potenziale gravitazionale per produrre elettricità.

L’approccio attirò investitori e ricercatori fin dal lancio. Nel 2019 l’azienda vinse il World Changing Idea Award di Fast Company per il suo design e il metodo di accumulo fuori rete. Nel 2020 costruì a Castione-Arbedo, in Svizzera, un sistema funzionante di accumulo elettrico mediante gru.

Il modello evidenziò alcuni limiti che spinsero l’azienda verso nuove soluzioni, tra cui una versione ad ascensore chiamata G-Vault. Come quella con gru, accumula energia sollevando e abbassando blocchi.

Oggi Energy Vault sviluppa concetti innovativi in diverse aree dell’accumulo e della produzione energetica. Di recente si è espansa nei sistemi ibridi, nelle batterie a idrogeno e in altre tecnologie di nuova generazione. Chi desidera esporsi ai futuri mercati dell’energia può approfondire il titolo Energy Vault.

Ultime notizie e performance del titolo NRGV

Migliorare i raccoglitori di energia | Conclusione

Il lavoro dei ricercatori apre la strada a un futuro più pulito ed efficiente. L’impiego della meccanica quantistica per superare determinati limiti della termodinamica mostra come la tecnologia possa creare nuove opportunità. Il team merita riconoscimento per l’impegno e per scoperte capaci di ampliare le nostre prospettive.

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Riferimenti

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). Conversione efficiente di energia termica da un liquido Tomonaga-Luttinger non termico. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}