Η ιαπωνική επανάσταση στη θερμότητα: Όταν η κβαντική μηχανική παράγει ηλεκτρική ενέργεια
Μια ομάδα Ιαπώνων ερευνητών φαίνεται πως έχει κάνει ένα βήμα που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο παράγουμε και ανακτούμε ενέργεια. Οι επιστήμονες κατάφεραν να αναπτύξουν μια νέα μέθοδο μετατροπής θερμότητας σε ηλεκτρισμό, αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντικής μηχανικής και αμφισβητώντας στην πράξη τα όρια της κλασικής θερμοδυναμικής.
Η ανακάλυψη βασίζεται σε ένα εξαιρετικά ιδιόμορφο φυσικό φαινόμενο, γνωστό ως Tomonaga-Luttinger liquid (ή TL), ένα κβαντικό σύστημα που συμπεριφέρεται με τρόπο τελείως διαφορετικό από οποιοδήποτε συμβατικό υλικό. Στην ουσία, η συγκεκριμένη κατάσταση της ύλης επιτρέπει στη θερμότητα να «παγιδεύεται» σε ορισμένα σημεία του συστήματος, χωρίς να διαχέεται ομοιόμορφα όπως συμβαίνει συνήθως. Έτσι, η ενεργειακή πυκνότητα παραμένει υψηλή, και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια γίνεται πιο αποδοτική από ό,τι επιτρέπει η κλασική φυσική.
Στη βάση αυτής της καινοτομίας βρίσκεται μια σχεδόν παράδοξη ιδέα: η αξιοποίηση της θερμικής αταξίας ως πηγή τάξης και αποδοτικότητας. Συνήθως, όταν θερμαίνουμε ένα υλικό, τα μόριά του αποκτούν ενέργεια και κινούνται πιο χαοτικά, με αποτέλεσμα η θερμότητα να διαχέεται γρήγορα και ομοιόμορφα. Στο Tomonaga-Luttinger liquid, όμως, οι ηλεκτρόνιοι συμπεριφέρονται διαφορετικά – δεν «υπακούν» στη θερμική ισορροπία, αλλά παραμένουν σε μια μη θερμική κατάσταση, συγκρατώντας μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας που μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρισμό.
Η ανατροπή είναι θεμελιώδης: η ενεργειακή απόδοση που καταγράφηκε υπερβαίνει τα θεωρητικά όρια των κύκλων Carnot και Curzon-Ahlborn, τα οποία εδώ και δύο αιώνες θεωρούνται οι φυσικοί φραγμοί για οποιοδήποτε σύστημα παραγωγής ενέργειας από θερμότητα. Με απλά λόγια, οι Ιάπωνες επιστήμονες κατάφεραν να εξάγουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από την ίδια ποσότητα θερμότητας, συγκριτικά με οποιαδήποτε γνωστή μηχανή ή γεννήτρια που βασίζεται στις αρχές της παραδοσιακής θερμοδυναμικής.
Για να αποδείξουν τη θεωρία τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό σημειακό τρανζίστορ (quantum point transistor) – μια εξαιρετικά μικρή διάταξη που ελέγχει τη ροή ηλεκτρονίων – ως πηγή θερμότητας. Η παραγόμενη θερμότητα διοχετεύτηκε σε ένα κανάλι που περιείχε το Tomonaga-Luttinger liquid, και από εκεί σε μια μικροσκοπική κβαντική θερμική μηχανή. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η παραγόμενη ηλεκτρική τάση ήταν πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που θα προέκυπτε από μια κλασική θερμική πηγή.
Οι επιστήμονες εξηγούν ότι το «μυστικό» βρίσκεται στη συλλογική φύση των ηλεκτρονίων μέσα στο TL. Σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά, όπου κάθε ηλεκτρόνιο κινείται ανεξάρτητα, στο συγκεκριμένο κβαντικό σύστημα όλα τα σωματίδια λειτουργούν ως μια ενιαία, συντονισμένη οντότητα. Αυτό τους επιτρέπει να διατηρούν μια μορφή «τάξης μέσα στο χάος» και να αντιστέκονται στη φυσική τάση της θερμότητας να εξαπλώνεται.
Για να περιγράψουν αυτή την ασυνήθιστη συμπεριφορά, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο που βασίζεται σε μια δυαδική κατανομή Fermi, η οποία εξηγεί πώς η μη θερμική κατάσταση του συστήματος μπορεί να παράγει ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία και καλύτερη μετατροπή ενέργειας.
Ο καθηγητής Toshimasa Fujisawa από το Tokyo Institute of Science, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, δήλωσε ότι η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε στο μέλλον να οδηγήσει σε εντελώς νέες μορφές ενεργειακής ανάκτησης. Σύμφωνα με τον ίδιο, θα μπορούσαμε μια μέρα να επαναχρησιμοποιούμε τη θερμότητα που παράγεται από καθημερινές ηλεκτρονικές συσκευές, από υπολογιστές και smartphones έως μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές, μετατρέποντάς τη άμεσα σε ηλεκτρισμό.
Σήμερα, ένα μεγάλο ποσοστό της ενέργειας που καταναλώνεται σε βιομηχανίες, ηλεκτρονικά και δίκτυα δεδομένων χάνεται με τη μορφή θερμότητας. Αν η τεχνολογία του Tomonaga-Luttinger liquid μπορέσει να εξελιχθεί σε πρακτικές εφαρμογές, η ανακτημένη αυτή ενέργεια θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την κατανάλωση, τις εκπομπές και το ενεργειακό κόστος.
Παρότι η ανακάλυψη βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό στάδιο, οι ερευνητές εκτιμούν ότι ανοίγει έναν εντελώς νέο δρόμο για την ανάπτυξη κβαντικών θερμικών μηχανών, που θα αξιοποιούν τη θερμότητα όχι ως «απώλεια», αλλά ως πρώτη ύλη για καθαρή ενέργεια. Ήδη, διεθνή πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα δείχνουν ενδιαφέρον για την αναπαραγωγή των πειραμάτων, ενώ η βιομηχανία ηλεκτρονικών υπολογιστών βλέπει στο έργο αυτό μια πιθανή λύση για την ενεργειακή αποδοτικότητα των επεξεργαστών του μέλλοντος.
[via]
