Kvantenergihøster driver neste generasjon

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.

Energihøsting

Energihøsting er en etablert teori som ganske enkelt refererer til å omdanne bortkastet energi som avgis av omgivelsene eller teknologier til kraft for andre enheter. Tidligere involverte denne vitenskapen konsepter som å utnytte temperaturforskjellen mellom havoverflaten og de dypere områdene for å generere kraft. Et kjent eksempel på energihøsting i praksis er Nikola Teslas energitorn, som kunne drive en lyspære uten noen ledninger.

I dag er energihøsting et voksende vitenskapsfelt som utforsker innsamling av energitap fra en rekke områder. Noen eksempler inkluderer termiske gradienter, RF-signaler og datamaskinmaskinvare, helt opp til hele kraftverk. En av hovedfordelene med energihøsting er at den gir en rimelig og bærekraftig måte å forbedre effektiviteten og senke kostnadene på. Følgelig øker populariteten.

Utfordringer som begrenser moderne energihøstings effektivitet

Energihøstings teknologier fortsetter å forbedres. Det er imidlertid fortsatt flere begrensninger som forskere må overvinne for å oppnå optimal ytelse. For det første er tradisjonelle energihøstings teknologier bundet av termodynamikkens lover, inkludert:

Carnot‑effektivitet

En av de viktigste begrensende faktorene for energihøsting i dag er kjent som Carnot‑effektivitet. Denne termodynamiske loven beskriver maksimal termisk overføringskapasitet og effektivitet mellom separate varmereservoirer. Denne prosenten gjør det mulig for forskere å forutsi nøyaktig hvor mye energi som kan produseres fra avfallsvarme.

Curzon‑Ahlborn‑effektivitet

Curzon‑Ahlborn‑effektiviteten er en annen viktig lov som har begrenset effektiviteten til energihøster. Den brukes til å definere maksimal effektivitet som kan oppnås ved full kraftdrift. Denne ligningen, sammen med Carnot‑effektiviteten, brukes av ingeniører for å optimalisere og forbedre energihøstingsenheter.

Kvantestudie for å forbedre energihøstings effektivitet

Med tanke på disse begrensningene har et innovativt team av forskere fra Japan tatt i bruk en ny tilnærming til varmetransportteknologier. Studien Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid¹ publisert i Communications Physics introduserer en ny strategi som utnytter kvantemekanikk for å overgå grensene til tradisjonell termodynamikk.

Ikke‑termisk Tomonaga‑Luttinger‑væske

I kjernen av studien brukes en ikke‑termisk Tomonaga‑Luttinger‑væske for å fange og transportere varmesenergi. Bruken av kvantevarmemotorer har flere store fordeler. For eksempel utnytter disse kvantevarmemotorene ikke‑termiske reservoarer – her en ikke‑termisk Tomonaga‑Luttinger (TL) væske – for å trekke ut mer nyttig arbeid enn klassiske oppsett.

Kvantum‑Hall‑kantekanaler (1D‑transport)

Ved å bruke en kvantebasert tilnærming kunne ingeniørene skape en naturlig ikke‑termisk tilstand innen tilpassede kvantum‑Hall‑kantekanaler. Denne tilnærmingen baserer seg på karbonnanorør for å splitte energien inn i én dimensjon.

Kilde – Institute of Science Tokyo

Dette tilnærmingen gjør det mulig med en binær Fermi‑fordelingsfunksjon for den ikke‑termiske tilstanden. Denne tilstanden induseres naturlig av entropi‑bevarende likevekt. Merk at denne kvantetilstanden er ideell fordi den ikke gjennomgår termalisering, noe som reduserer bortkastet eller unnsluppet varmesenergi.

Strategien gjør det mulig for det én‑dimensjonale elektronsystemet å overføre varmetilstanden direkte. Denne tilnærmingen beholder høyenergitilstanden uten å spre den som tidligere energihøstings teknologier. Deretter laget teamet en datamodell som kan brukes til å designe fremtidige energihøstingssystemer med høyere effektivitet.

Eksperimentell test av den kvantemessige energihøsteren

Som en del av forskningen utviklet ingeniørene en fungerende energihøstingsmotor. Enheten integrerte en ikke‑termisk Tomonaga‑Luttinger (TL) væske‑strategi for å overføre kvante‑dot‑energi fra en kvante‑punkt‑kontakt‑transistor.
Dette konseptbeviset fanger varmen som genereres av kvante‑punkt‑kontakt‑transistoren direkte inn i væsken med maksimal effektivitet. Interessant nok overførte kvante‑dot‑ene varmen inn i TL‑væsken over mikrometer‑skala avstander, noe som begrenser spredning.

Resultater fra forbedring av energihøster‑tester

Forskerne var fornøyde med å dokumentere at deres nye tilnærming med suksess overgikk tidligere energihøstingsmetoder. Bruken av ikke‑termisk TL‑væske over kvasi‑termisk TL‑væske ga høyere elektrisk konverteringseffektivitet, samt en høyere elektromotorisk kraft.

Imponerende klarte kvante‑dot‑varmeenergihøsteren å oppnå en effektivitet som overgikk både Carnot‑effektiviteten og Curzon‑Ahlborn‑effektiviteten som begrenset forgjengeren. Dermed markerer denne utviklingen et viktig milepæl innen energihøsting og kvanteteknologi.Swipe to scroll →

Fordeler med kvantenergihøstings‑teknologi

Det finnes mange fordeler som dette arbeidet bringer til sektoren. For det første demonstrerer det et fungerende høyytelsesalternativ til tradisjonelle energihøstingsalternativer. Denne løsningen kan konvertere avfallsvarme til elektrisitet med rekordhøy effektivitet, og åpner døren for kraftigere elektronikk, kvanteenheter og mer.

Virkelige anvendelser og tidslinje

Studien Improving Energy Harvesters åpner døren for mer effektive og kraftige energihøstings‑teknologier i fremtiden. Fra romfart til å holde smarttelefonen din kjøligere, vil denne teknologien endre måten ingeniører designer enheter på. Her er noen potensielle anvendelser.

Sikkerhet

Sikkerhetsapplikasjoner vil dra stor nytte av muligheten til å høste bortkastet energi fra lokasjoner og enheter de er designet for å overvåke. Tenk deg kraftverk med 24‑timers sikkerhetsutstyr som drives av varmen fra turbinene, i stedet for strøm fra det lokale strømnettet.

Medisinsk

Det medisinske feltet vil uten tvil finne bruksområder for denne teknologien. Avanserte energihøstings‑teknologier er allerede i bruk i piezo‑elektroniske wearables. I fremtiden kan kvante‑dot‑energihøster bidra til at lavstrømsenheter som hjerte‑monitorer fungerer lenger og uten risiko for batteriforurensning.

Logistikk

Logistikksektoren vil utnytte denne teknologien i form av Internet of Things (IoT)-enheter. Allerede har disse små smarte sensorene bidratt til å redusere ineffektivitet, svindel og forfalskning. De har imidlertid vært begrenset i sin anvendelse på grunn av strømkilder. Mens noen kan stole på solenergi, trenger de fleste batterier eller en direkte tilkobling til nettet.
I fremtiden vil IoT‑enheter kunne generere energi fra omgivelsene. Denne strategien vil gjøre dem skalerbare, og muliggjøre mer effektiv overvåking av den massive milliard‑dollar logistikkindustrien. I tillegg vil den senke kostnadene knyttet til sporing og sikring av enheter.

Romutforskning

Romutforskning er en av sektorene som kan få mest nytte av denne teknologien i fremtiden. Allerede pågår mye arbeid med å finne pålitelige metoder for å forsyne romkolonier med strøm. Dette nyeste arbeidet åpner døren for energihøstingsalternativer for fremtidige astronauter og oppdagelsesreisende som trenger lette alternativer.

Tidslinje for forbedring av energihøster

Det vil ta mer enn 10 år før du ser en kvanteenergihøster i bruk i dine elektroniske enheter. Teknologien kan imidlertid bli fremskyndet for militære, rom- og medisinske formål. I så fall kan kommersielle alternativer begynne å dukke opp innen de neste 5‑7 årene.

Forskerne bak forbedring av energihøster

Studien *Improving Energy Harvesters* var et samarbeid mellom Institutt for fysikk ved Institute of Science, Tokyo, og NTT Basic Research Laboratories. Artikkelen nevner professor Toshimasa Fujisawa som hovedforsker, med støtte fra forsker Koji Muraki.
Ytterligere forskning og bistand ble levert av Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin og Takafumi Akiho. Finansiering til prosjektet ble også gitt av Japan Society for the Promotion of Science og Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology.

Fremtiden for forbedring av energihøster

Fremtiden for energihøster ser spennende ut. Denne teknologien vil være essensiell for å maksimere global energiytelse og oppnå netto‑null karbonmål fastsatt i Parisavtalen. For nå vil teamet arbeide med å forbedre designet og finne produksjonspartnere for å utvide driften.

Investering i den avanserte energisektoren

Det finnes flere selskaper som konkurrerer i energihøster‑sektoren. Disse firmaene søker å redusere forurensning og hjelpe til med å gjenvinne tapt energi gjennom sine unike enheter. Her er ett selskap som fortsetter å vise en innovativ ånd samtidig som de leverer pålitelige produkter og tjenester.

Energy Vault

Energy Vault (NRGV ) kom inn på markedet i 2017 for å tilby alternative energikilder til lokalsamfunn. Selskapets grunnleggere, Robert Allen Piconi og William Gross, forestilte seg å utnytte gravitasjonspotensiell energi til å skape energi via et kransystem.
Denne unike tilnærmingen fanget investorenes og forskernes oppmerksomhet fra starten. I 2019 vant selskapet Fast Companys World Changing Idea Award på grunn av sitt unike design og tilnærming til off‑grid lagringsmetoder. Merk at firmaet bygde et fungerende kran‑elektrisk lagringsenergisystem i Castione‑Arbedo, Sveits, i 2020.