Японские научные сотрудники из Токийского научного института разработали новую концепцию, которая позволяет преодолеть традиционные термодинамические ограничения, в частности коэффициент полезного действия Карно, за счет использования нетермических квантовых состояний.
Об этом сообщает ProIT
Революционный подход к преобразованию тепла в квантовых системах
В своей работе исследователи предлагают применение нетермической жидкости Томонаги-Латтингера – теоретической модели, описывающей поведение электронов в одномерных проводниках, таких как квантовые провода или углеродные нанотрубки. Эта система позволяет эффективнее преобразовывать отводимое тепло в электрическую энергию по сравнению с классическими тепловыми машинами.
Современные технологии сбора энергии ориентированы на улавливание тепла, которое генерируется электроникой, промышленными приборами и мощными энергетическими установками. Вместо потерь это тепло может быть преобразовано в электричество, повышая энергоэффективность различных систем.
Однако все традиционные системы ограничены законами термодинамики – они работают в состоянии теплового равновесия, а количество преобразованной энергии определяется КПД Карно. Дополнительные ограничения устанавливает и КПД Керзона-Альборна, который учитывает максимальную выходную мощность.
Экспериментальное подтверждение и перспективы технологии
Группа под руководством профессора Тосимасы Фудзисавы провела эксперимент, в котором тепло, отведенное от квантового точечного резистора, было подано в термоэлектрическую жидкость. Далее это тепло переносилось на несколько микрометров в тепловой двигатель, созданный на основе квантовых точек – микроскопического устройства, преобразующего тепло в электроэнергию благодаря квантовым эффектам.
Выяснилось, что нетрадиционный источник тепла обеспечивает значительно более высокое электрическое напряжение и эффективнее преобразует энергию по сравнению с классическими подходами. Ученые смогли превзойти как КПД Карно, так и КПД Керзона-Альборна, используя модель бинарной функции распределения Ферми для нетепловых электронных состояний в своей системе.
«Эти результаты побуждают нас использовать термоэлектрические жидкости как нетепловой источник энергии для новых систем сбора энергии», — отмечает Тосимаса Фудзисава.
Исследователи подчеркивают, что их технология открывает путь к эффективному преобразованию тепла, образующегося в результате работы квантовых компьютеров и электронных устройств, в полезную электроэнергию.
Стоит отметить, что КПД Карно определяет максимально возможную эффективность для тепловых машин при условиях постоянной температуры нагревателя и охладителя. В реальных условиях ни одна система не может достичь этой границы из-за потерь мощности. Однако новая разработка японских ученых демонстрирует потенциал для преодоления этих фундаментальных ограничений.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Physics.