Quantumenergie‑Oogstmachines Stuwen de Volgende Generatie

Onderzoekers van het Institute of Science, Tokio, hebben een methode ontwikkeld om energie‑oogstmachines voor elektronica te verbeteren. Hun nieuwe aanpak maakt gebruik van de quantummechanica om de thermodynamische limieten van traditionele energie‑oogstsystemen te overstijgen. Daarom heeft hun werk de potentie om verspilde energie om te zetten in een bruikbare energiebron voor de high‑tech apparaten van morgen. Dit is wat u moet weten.

Energieopwekking

Energieopwekking is een gevestigde theorie die simpelweg verwijst naar het omzetten van verspilde energie die door de omgeving of technologieën wordt afgegeven in stroom voor andere apparaten. In het verleden omvatte deze wetenschap concepten zoals het benutten van het temperatuurverschil tussen het oppervlak van de oceaan en de diepere lagen om energie op te wekken. Een beroemd voorbeeld van energieopwekking in de praktijk is Nikola Tesla’s energietoren, die een gloeilamp kon laten branden zonder draden.
Tegenwoordig is energieopwekking een groeiend wetenschappelijk veld dat onderzoek doet naar het oogsten van energieresten uit diverse bronnen. Voorbeelden zijn thermische gradiënten, RF‑signalen en computerhardware, tot zelfs volledige energiecentrales. Een van de belangrijkste voordelen van energieopwekking is dat het een betaalbare en duurzame manier biedt om de efficiëntie te verbeteren en kosten te verlagen. Hierdoor wint het aan populariteit.

Uitdagingen die de efficiëntie van moderne energieopwekking beperken

Energieopwekkings technologieën blijven zich verbeteren. Er zijn echter nog verschillende beperkingen die wetenschappers moeten overwinnen om optimale prestaties te bereiken. Ten eerste zijn traditionele energie‑opwekkingssystemen gebonden aan de wetten van de thermodynamica, waaronder:

Carnot‑efficiëntie

Een van de belangrijkste beperkende factoren voor energieopwekking vandaag is de Carnot‑efficiëntie. Deze wet van de thermodynamica beschrijft de maximale thermische overdrachtcapaciteit en efficiëntie tussen afzonderlijke warmte‑reservoirs. Dit percentage stelt wetenschappers in staat om precies te voorspellen hoeveel energie er uit afvalwarmte kan worden opgewekt.

Curzon‑Ahlborn‑efficiëntie

De Curzon‑Ahlborn‑efficiëntie is een andere belangrijke wet die de effectiviteit van energie‑oogstmachines heeft beperkt. Deze wordt gebruikt om de maximale efficiëntie te definiëren die kan worden bereikt bij volledige vermogensoperaties. Deze vergelijking, samen met de Carnot‑efficiëntie, wordt door ingenieurs gebruikt om energie‑oogstapparaten te optimaliseren en te verbeteren.

Kwantumstudie om de Energieopwekkingsrendement te Verbeteren

Door deze beperkingen te erkennen, heeft een innovatief team onderzoekers uit Japan een nieuwe benadering van warmte‑overdrachttechnologieën ontwikkeld. De studie Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid¹, gepubliceerd in Communications Physics, introduceert een nieuwe strategie die quantummechanica benut om de grenzen van de traditionele thermodynamica te overstijgen.

Niet‑Thermische Tomonaga‑Luttinger‑vloeistof

Centraal in de studie staat het gebruik van een niet‑thermische Tomonaga‑Luttinger‑vloeistof om warmte‑energie op te vangen en te transporteren. Het gebruik van kwantum‑warmtemotoren biedt aanzienlijke voordelen. Bijvoorbeeld, deze kwantum‑warmtemotoren benutten niet‑thermische reservoirs — hier een niet‑thermische Tomonaga‑Luttinger (TL) vloeistof — om meer bruikbare arbeid te leveren dan klassieke opstellingen.

Kwantum‑Hall‑randkanalen (1D‑transport)

Door een kwantum‑benadering te gebruiken, konden de ingenieurs een niet‑thermische toestand op natuurlijke wijze creëren binnen aangepaste kwantum‑Hall‑randkanalen. Deze aanpak maakt gebruik van koolstofnanobuizen om de energie in één dimensie te splitsen.

Bron – Institute of Science Tokyo