Quantum-energie-oogsters voeden de volgende generatie

Onderzoekers van het Institute of Science in Tokio hebben een manier ontwikkeld om energieopwekkers voor elektronica te verbeteren. Hun nieuwe aanpak maakt gebruik van kwantummechanica om de thermodynamische grenzen van traditionele energieopwekkers te overstijgen. Hun werk heeft de potentie om verspilde energie om te zetten in een bruikbare energiebron voor de hightech apparaten van morgen. Dit is wat u moet weten.

Energie oogsten

Energieopwekking is een gevestigde theorie die simpelweg verwijst naar het omzetten van verspilde energie, afgegeven door de omgeving of technologieën, in stroom voor andere apparaten. Vroeger hield deze wetenschap zich bezig met concepten zoals het benutten van het temperatuurverschil tussen het oceaanoppervlak en de diepere lagen om stroom op te wekken. Een bekend voorbeeld van energieopwekking in de praktijk is Nikola Tesla's energietoren, die een gloeilamp zonder kabels van stroom kon voorzien.

Tegenwoordig is energieopwekking een groeiend wetenschappelijk vakgebied dat zich richt op het oogsten van energieverspilling uit diverse bronnen. Voorbeelden hiervan zijn thermische gradiënten, RF-signalen en computerhardware, tot en met complete energiecentrales. Een van de belangrijkste voordelen van energieopwekking is dat het een betaalbare en duurzame manier biedt om de efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen. Het wint dan ook aan populariteit.

Uitdagingen die de efficiëntie van moderne energiewinning beperken

Technologieën voor energiewinning worden steeds beter. Er zijn echter nog steeds verschillende beperkingen die wetenschappers moeten overwinnen om optimale prestaties te bereiken. Ten eerste zijn traditionele technologieën voor energiewinning gebonden aan de wetten van de thermodynamica, waaronder:

Carnot-efficiëntie

Een van de belangrijkste beperkende factoren die de energiewinning vandaag de dag beperkt, staat bekend als de Carnot-efficiëntie. Deze wet van de thermodynamica beschrijft de maximale thermische overdrachtscapaciteit en efficiëntie tussen afzonderlijke warmtereservoirs. Dit percentage stelt wetenschappers in staat om precies te voorspellen hoeveel energie er uit restwarmte kan worden opgewekt.

Curzon-Ahlborn-efficiëntie

De Curzon-Ahlborn-efficiëntie is een andere belangrijke wet die de effectiviteit van energieopwekkers beperkt. Deze wordt gebruikt om de maximale efficiëntie te definiëren die kan worden bereikt bij gebruik op vol vermogen. Deze vergelijking, samen met de Carnot-efficiëntie, wordt door ingenieurs gebruikt om energieopwekkers te optimaliseren en te verbeteren.

Kwantumstudie om de efficiëntie van energiewinning te verbeteren

Een innovatief team van Japanse onderzoekers heeft deze beperkingen erkend en een nieuwe benadering van warmteoverdrachttechnologieën ontwikkeld. Efficiënte warmte-energieomzetting uit een niet-thermische Tomonaga-Luttinger-vloeistof¹ Een onderzoek gepubliceerd in Communications Physics introduceert een nieuwe strategie die de kwantummechanica benut om de grenzen van de traditionele thermodynamica te overtreffen.

Niet-thermische Tomonaga-Luttinger-vloeistof

De kern van de studie is het gebruik van een niet-thermische Tomonaga-Luttinger vloeistof om warmte-energie op te vangen en te verplaatsen. Het gebruik van kwantumwarmtemotoren heeft een aantal belangrijke voordelen. Zo maken deze kwantumwarmtemotoren gebruik van niet-thermische reservoirs – in dit geval een niet-thermische Tomonaga-Luttinger (TL) vloeistof – om meer nuttige arbeid te genereren dan met klassieke opstellingen.

Quantum Hall-randkanalen (1D-transport)

Door gebruik te maken van een kwantumbenadering konden de ingenieurs op natuurlijke wijze een niet-thermische toestand creëren binnen aangepaste kwantum-Hall-randkanalen. Deze aanpak maakt gebruik van koolstofnanobuisjes om de energie in één dimensie te verdelen.

Bron - Instituut voor Wetenschap Tokio

Deze aanpak maakt een binaire fermiverdelingsfunctie van de niet-thermische toestand mogelijk. Deze toestand wordt op natuurlijke wijze geïnduceerd door entropiebehoudend evenwicht. Deze kwantumtoestand is met name ideaal omdat er geen thermalisatie plaatsvindt, waardoor er minder warmte-energie verloren gaat of ontsnapt.

Deze strategie maakt het mogelijk dat het eendimensionale elektronensysteem de warmtetoestand direct overdraagt. Deze aanpak behoudt de hoogenergetische toestand zonder deze te verspreiden, zoals bij eerdere technologieën voor energieopwekking. Op basis daarvan ontwikkelde het team een ​​computermodel dat kan worden gebruikt om toekomstige technologieën voor energieopwekking efficiënter te ontwerpen.

Experimentele test van de kwantumenergie-oogster

Als onderdeel van hun onderzoek creëerden de ingenieurs een werkende energieopwekkende motor. Het apparaat integreerde een niet-thermische Tomonaga-Luttinger (TL) vloeistofstrategie om kwantumdotenergie over te brengen van een kwantumpuntcontacttransistor.

Dit proof-of-concept vangt de warmte die door de kwantumpuntcontacttransistor wordt gegenereerd, direct op in de vloeistof met maximale efficiëntie. Interessant is dat de kwantumdots warmte overdragen aan de TL-vloeistof. over afstanden op micrometerschaal, waardoor de verspreiding wordt beperkt.

Verbetering van de testresultaten van energieoogsters

De wetenschappers waren verheugd te kunnen aantonen dat hun nieuwe aanpak eerdere methoden voor energiewinning succesvol overtrof. Het gebruik van niet-thermische TL-vloeistof in plaats van quasi-thermische TL-vloeistof leverde een hogere elektrische omzettingsefficiëntie op, naast een hogere elektromotorische kracht.

Indrukwekkend genoeg wist de quantumdot warmte-energie-oogster een efficiëntie te bereiken die hoger lag dan zowel de Carnot-efficiëntie als de Curzon-Ahlborn-efficiëntie die zijn voorganger in de weg stonden. Deze ontwikkeling markeert dan ook een belangrijke mijlpaal in energieoogst en kwantumtechnologie.
Veeg om te scrollen →

Voordelen van kwantumenergie-oogsttechnologie

Dit werk brengt tal van voordelen met zich mee voor de sector. Ten eerste toont het een werkend, krachtig alternatief voor traditionele energieopwekkingsmethoden. Deze oplossing kan restwarmte met recordefficiëntie omzetten in elektriciteit, wat de weg vrijmaakt voor krachtigere elektronica, kwantumapparaten en meer.

Toepassingen in de praktijk en tijdlijn

De Verbetering van energieoogsters Studie opent de deur voor efficiëntere en krachtigere technologieën voor energieopwekking in de toekomst. Van ruimtereizen tot het koel houden van je smartphone: deze technologie zal de manier waarop ingenieurs apparaten ontwikkelen veranderen. Hier zijn slechts enkele mogelijke toepassingen.

Security

Beveiligingstoepassingen zullen enorm profiteren van de mogelijkheid om verspilde energie te benutten van locaties en apparaten die ze moeten bewaken. Stel je bijvoorbeeld energiecentrales voor met 24-uurs beveiligingsapparatuur die wordt gevoed door de warmte die hun turbines afgeven, in plaats van stroom die wordt opgewekt door het elektriciteitsnet van de locatie.

MEDISCHE

De medische sector zal ongetwijfeld toepassingsscenario's voor deze technologie vinden. Geavanceerde technologieën voor energieopwekking worden al gebruikt in piëzo-elektronische wearables. In de toekomst zouden quantumdot-energieopwekkingssystemen kunnen helpen om energiezuinige apparaten zoals hartmonitors langer en zonder risico op batterijvervuiling te laten werken.

Logistiek

De logistieke sector zal deze technologie inzetten in de vorm van Internet of Things (IoT)-apparaten. Deze kleine, slimme sensoren hebben al bijgedragen aan het verminderen van inefficiëntie, fraude en namaak. Hun toepassingsmogelijkheden zijn echter beperkt door beperkte stroomvoorziening. Hoewel sommige apparaten op zonne-energie kunnen vertrouwen, heeft de overgrote meerderheid batterijen of een directe aansluiting op het elektriciteitsnet nodig.

In de toekomst zullen IoT-apparaten energie kunnen opwekken uit hun omgeving. Deze strategie maakt schaalbaarheid mogelijk, wat efficiëntere monitoring van de enorme logistieke sector, die miljarden dollars waard is, mogelijk maakt. Bovendien zal het de kosten voor het volgen en beveiligen van apparaten verlagen.

Ruimteonderzoek

Ruimtevaart is een van de sectoren die in de toekomst het meeste uit deze technologie zou kunnen halen. Er wordt al hard gewerkt aan het vinden van betrouwbare methoden om ruimtekolonies van stroom te voorzien. Dit nieuwste werk opent de deur naar energieopwekking voor toekomstige astronauten en ontdekkingsreizigers die lichtgewicht alternatieven nodig hebben.

Tijdlijn voor het verbeteren van energieoogsters

Het zal nog +10 jaar duren voordat u een quantum-energie-opwekkingsmachine in uw elektronische apparaten zult zien. De technologie zou echter snel kunnen worden toegepast voor militaire, ruimte- en medische doeleinden. Zo ja, dan zouden commerciële opties zich binnen 5-7 jaar kunnen aandienen.

Onderzoekers die energieoogsters verbeteren

Het onderzoek naar verbeterde energie-oogsters was een samenwerking tussen de faculteit natuurkunde van het Institute of Science in Tokio en NTT Basic Research Laboratories. In het artikel wordt professor Toshimasa Fujisawa genoemd als hoofdonderzoeker, met ondersteuning van onderzoeker Koji Muraki.

Aanvullend onderzoek en assistentie werden geleverd door Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin en Takafumi Akiho. Daarnaast werd het project gefinancierd door de Japanse Vereniging voor de Promotie van Wetenschap en het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie.

Verbetering van de toekomst van energieoogsters

De toekomst van energieopwekkers ziet er veelbelovend uit. Deze technologie zal essentieel zijn voor het maximaliseren van de wereldwijde energie-efficiëntie en het behalen van de CO2-neutraliteitsdoelstellingen van het Klimaatakkoord van Parijs. Voorlopig werkt het team aan het verbeteren van hun ontwerp en het vinden van productiepartners om hun activiteiten uit te breiden.

Investeren in de geavanceerde energiesector

Er zijn verschillende bedrijven die concurreren in de sector van energieopwekkers. Deze bedrijven proberen vervuiling te verminderen en verloren energie terug te winnen met hun unieke apparaten. Dit is een bedrijf dat een innovatieve geest blijft tonen en tegelijkertijd betrouwbare producten en diensten levert.

Energiekluis

Energy Vault betrad de markt in 2017 om gemeenschappen alternatieve energiebronnen te bieden. De oprichters van het bedrijf, Robert Allen Piconi en William Gross, hadden het idee om zwaartekrachtpotentiële energie te gebruiken om energie op te wekken via een kraansysteem.

Deze unieke aanpak trok vanaf de lancering de aandacht van investeerders en onderzoekers. In 2019 won het bedrijf de World Changing Idea Award van Fast Company vanwege het unieke ontwerp en de aanpak van off-grid opslagmethoden. Opvallend is dat het bedrijf in 2020 een werkend kraansysteem voor elektrische energieopslag bouwde in Castione-Arbedo, Zwitserland.

Het werkende model vertoonde enkele beperkingen, waardoor het bedrijf overstapte op nieuwe opties, waaronder een liftversie genaamd de G-Vault. Net als de kraanversie slaat deze energie op door blokken op te tillen en neer te laten.

Tegenwoordig biedt Energy Vault innovatieve concepten in diverse sectoren voor energieopslag en -productie. Onlangs heeft het bedrijf zich uitgebreid naar hybride opslagmethoden, waterstofbatterijen en andere next-gen technologieën. Wie zich wil profileren op toekomstige energiemarkten, doet er goed aan Energy Vault beter te onderzoeken.

Laatste BDX (NRGV) aandelennieuws en prestaties

Verbetering van energieoogsters | Conclusie

Het werk van deze onderzoekers opent de deur naar een schonere en efficiëntere toekomst. Het gebruik van kwantummechanica om bepaalde wetten van de thermodynamica te omzeilen, laat zien hoe deze technologie in de toekomst nieuwe kansen zal creëren. Dit team verdient dan ook lof voor hun harde werk en opzienbarende ontdekkingen.

Leer meer over andere Cool Energy-doorbraken Here

Referenties

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). Efficiënte warmte-energieomzetting uit een niet-thermische Tomonaga-Luttinger vloeistof. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}