Японські науковці з Токійського наукового інституту розробили нову концепцію, яка дозволяє подолати традиційні термодинамічні обмеження, зокрема коефіцієнт корисної дії Карно, за рахунок використання нетермічних квантових станів.
Про це розповідає ProIT
Революційний підхід до перетворення тепла у квантових системах
У своїй роботі дослідники пропонують застосування нетермічної рідини Томонаги-Латтінжера – теоретичної моделі, що описує поведінку електронів у одномірних провідниках, таких як квантові дроти або вуглецеві нанотрубки. Ця система дозволяє ефективніше перетворювати тепло, що відводиться, в електричну енергію, у порівнянні з класичними тепловими машинами.
Сучасні технології збирання енергії орієнтовані на уловлювання тепла, яке генерується електронікою, промисловими приладами та потужними енергетичними установками. Замість втрат, це тепло може бути перетворене на електрику, підвищуючи енергоефективність різноманітних систем.
Однак усі традиційні системи обмежені законами термодинаміки – вони працюють у стані теплової рівноваги, а кількість перетвореної енергії визначається ККД Карно. Додаткові межі встановлює і ККД Керзона-Альборна, що враховує максимальну вихідну потужність.
Експериментальне підтвердження та перспективи технології
Група під керівництвом професора Тосімаси Фудзісави здійснила експеримент, у якому тепло, відведене від квантового точкового резистора, було подане у термоелектричну рідину. Далі це тепло переносилося на кілька мікрометрів у тепловий двигун, створений на основі квантових точок – мікроскопічного пристрою, що перетворює тепло на електроенергію завдяки квантовим ефектам.
Виявилося, що нетрадиційне джерело тепла забезпечує значно вищу електричну напругу та ефективніше перетворення порівняно з класичними підходами. Вчені змогли перевершити як ККД Карно, так і ККД Керзона-Альборна, використовуючи модель бінарної функції розподілу Фермі для нетеплових електронних станів у своїй системі.
“Ці результати спонукають нас використовувати термоелектричні рідини як нетеплове джерело енергії для нових систем збирання енергії”, — зазначає Тосімаса Фудзісава.
Дослідники підкреслюють, що їхня технологія відкриває шлях до ефективного перетворення тепла, що утворюється внаслідок роботи квантових комп’ютерів та електронних пристроїв, у корисну електроенергію.
Варто зазначити, що ККД Карно визначає максимально можливу ефективність для теплових машин за умов постійної температури нагрівача та охолоджувача. У реальних умовах жодна система не може досягти цієї межі через втрати потужності. Проте нова розробка японських вчених демонструє потенціал для подолання цих фундаментальних обмежень.
Результати дослідження були опубліковані у журналі Communications Physics.