Quantenenergie-Erzeuger versorgen die nächste Generation mit Energie

Forscher des Institute of Science in Tokio haben eine Methode entwickelt, um Energiegewinnungssysteme für die Elektronik zu verbessern. Ihr neuartiger Ansatz nutzt die Quantenmechanik, um die thermodynamischen Grenzen herkömmlicher Energiegewinnungssysteme zu überwinden. Ihre Arbeit hat das Potenzial, ungenutzte Energie in eine nutzbare Energiequelle für die Hightech-Geräte von morgen umzuwandeln. Hier erfahren Sie alles Wissenswerte.

Energiegewinnung

Energy Harvesting ist eine etablierte Theorie, die sich auf die Umwandlung von Energie aus der Umgebung oder von Technologien in Strom für andere Geräte bezieht. In der Vergangenheit umfasste diese Wissenschaft Konzepte wie die Nutzung des Temperaturunterschieds zwischen der Meeresoberfläche und den tieferen Bereichen zur Stromerzeugung. Ein berühmtes Beispiel für Energy Harvesting in der Praxis ist Nikola Teslas Energieturm, der eine Glühbirne ohne Kabel mit Strom versorgen konnte.

Energy Harvesting ist heute ein wachsendes wissenschaftliches Feld, das sich mit der Nutzung von Energieabfällen aus verschiedenen Bereichen beschäftigt. Beispiele hierfür sind thermische Gradienten, HF-Signale und Computerhardware bis hin zu ganzen Kraftwerken. Einer der Hauptvorteile von Energy Harvesting ist die kostengünstige und nachhaltige Möglichkeit, die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken. Daher erfreut es sich wachsender Beliebtheit.

Herausforderungen, die die Effizienz moderner Energiegewinnung einschränken

Die Technologien zur Energiegewinnung entwickeln sich kontinuierlich weiter. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen Wissenschaftler jedoch noch einige Einschränkungen überwinden. Herkömmliche Technologien zur Energiegewinnung unterliegen den Gesetzen der Thermodynamik, darunter:

Carnot-Effizienz

Einer der wichtigsten Faktoren, die die Energiegewinnung heute einschränken, ist der sogenannte Carnot-Wirkungsgrad. Dieses Gesetz der Thermodynamik beschreibt die maximale Wärmeübertragungskapazität und Effizienz zwischen getrennten Wärmespeichern. Dieser Prozentsatz ermöglicht es Wissenschaftlern, genau vorherzusagen, wie viel Energie aus Abwärme erzeugt werden kann.

Curzon-Ahlborn Effizienz

Der Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrad ist ein weiteres wichtiges Gesetz, das die Effektivität von Energieerntemaschinen ebenfalls begrenzt. Er wird verwendet, um den maximalen Wirkungsgrad zu definieren, der bei voller Leistung erreicht werden kann. Diese Gleichung wird zusammen mit dem Carnot-Wirkungsgrad von Ingenieuren zur Optimierung und Verbesserung von Energieerntegeräten verwendet.

Quantenstudie zur Verbesserung der Energiegewinnungseffizienz

Ein innovatives Forscherteam aus Japan hat diese Einschränkungen erkannt und einen neuen Ansatz für Wärmeübertragungstechnologien entwickelt. Die Effiziente Wärmeenergieumwandlung aus einer nicht-thermischen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit¹ Eine in Communications Physics veröffentlichte Studie stellt eine neue Strategie vor, die die Quantenmechanik nutzt, um die Grenzen der traditionellen Thermodynamik zu überwinden.

Nicht-thermische Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit

Im Mittelpunkt der Studie steht die Verwendung einer nichtthermischen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit zur Erfassung und Übertragung von Wärmeenergie. Der Einsatz von Quantenwärmekraftmaschinen bietet einige wesentliche Vorteile. So nutzen diese Quantenwärmekraftmaschinen beispielsweise nichtthermische Reservoirs – in diesem Fall eine nichtthermische Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit (TL) –, um mehr Nutzarbeit zu erzeugen als klassische Aufbauten.

Quanten-Hall-Kantenkanäle (1D-Transport)

Mithilfe eines Quantenansatzes konnten die Ingenieure auf natürliche Weise einen nichtthermischen Zustand in maßgeschneiderten Quanten-Hall-Randkanälen erzeugen. Dieser Ansatz basiert auf Kohlenstoffnanoröhren, um die Energie in eine Dimension aufzuteilen.

Quelle - Wissenschaftsinstitut Tokio

Dieser Ansatz ermöglicht eine binäre Fermi-Verteilungsfunktion des nichtthermischen Zustands. Dieser Zustand wird auf natürliche Weise durch entropieerhaltende Gleichgewichtsbildung induziert. Dieser Quantenzustand ist ideal, da er keiner Thermalisierung unterliegt und somit die Verschwendung oder Entweichung von Wärmeenergie reduziert wird.

Diese Strategie ermöglicht es dem eindimensionalen Elektronensystem, den Wärmezustand direkt zu übertragen. Dieser Ansatz erhält den energiereichen Zustand, ohne ihn wie bei früheren Energiegewinnungstechnologien zu verteilen. Auf dieser Grundlage erstellte das Team ein Computermodell, mit dem zukünftige Energiegewinnungstechnologien effizienter gestaltet werden können.

Experimenteller Test des Quantenenergie-Harvesters

Im Rahmen ihrer Forschung entwickelten die Ingenieure einen funktionierenden Energiegewinnungsmotor. Das Gerät nutzte eine nichtthermische Tomonaga-Luttinger (TL)-Flüssigkeitsstrategie zur Übertragung von Quantenpunktenergie von einem Quantenpunktkontakttransistor.

Dieser Proof of Concept leitet die vom Quantenpunktkontakttransistor erzeugte Wärme mit maximaler Effizienz direkt in die Flüssigkeit ab. Interessanterweise übertrugen die Quantenpunkte Wärme in die TL-Flüssigkeit über mikrometergroße Entfernungen, wodurch die Streuung begrenzt wird.

Verbesserung der Testergebnisse von Energieerzeugern

Die Wissenschaftler konnten mit Freude nachweisen, dass ihr neuer Ansatz bisherige Methoden zur Energiegewinnung übertrifft. Die Verwendung von nicht-thermischer TL-Flüssigkeit anstelle von quasi-thermisierter TL-Flüssigkeit sorgte für eine höhere elektrische Umwandlungseffizienz und eine höhere elektromotorische Kraft.

Beeindruckenderweise erreichte der Quantenpunkt-Wärmeenergiesammler einen Wirkungsgrad, der sowohl den Carnot-Wirkungsgrad als auch den Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrad seines Vorgängers übertraf. Diese Entwicklung stellt somit einen wichtigen Meilenstein in der Energiegewinnung und Quantentechnologie dar.
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Vorteile der Quantum Energy Harvesting-Technologie

Diese Arbeit bringt der Branche zahlreiche Vorteile. Sie stellt eine funktionierende und leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Energiegewinnungsmethoden dar. Diese Lösung kann Abwärme mit Rekordeffizienz in Strom umwandeln und ermöglicht so leistungsfähigere Elektronik, Quantengeräte und vieles mehr.

Reale Anwendungen und Zeitleiste

Die Verbesserung von Energieerntemaschinen Eine Studie eröffnet die Möglichkeit für effizientere und leistungsfähigere Energiegewinnungstechnologien der Zukunft. Von der Raumfahrt bis zur Kühlung Ihres Smartphones wird diese Technologie die Art und Weise verändern, wie Ingenieure Geräte entwickeln. Hier sind nur einige mögliche Anwendungen.

Sicherheit

Sicherheitsanwendungen profitieren erheblich von der Möglichkeit, die Energieverluste von Standorten und Geräten, die sie überwachen sollen, zu nutzen. Stellen Sie sich Kraftwerke vor, deren Sicherheitssysteme rund um die Uhr durch die Wärme ihrer Turbinen betrieben werden, anstatt durch den Strom, der aus dem Stromnetz des Standorts erzeugt wird.

Medizintechnik

Im medizinischen Bereich wird es sicherlich Anwendungsszenarien für diese Technologie geben. Fortschrittliche Energiegewinnungstechnologien werden bereits in piezoelektronischen Wearables eingesetzt. Quantenpunkt-Energiegewinnungsgeräte könnten künftig dazu beitragen, die Funktionsfähigkeit von Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Herzmonitoren zu verlängern und das Risiko einer Batteriekontamination zu vermeiden.

Logistik

Die Logistikbranche wird diese Technologie in Form von IoT-Geräten (Internet of Things) nutzen. Diese winzigen intelligenten Sensoren tragen bereits dazu bei, Ineffizienzen, Betrug und Fälschungen zu reduzieren. Ihre Anwendung ist jedoch aufgrund der begrenzten Stromversorgung eingeschränkt. Während einige Geräte auf Solarenergie zurückgreifen können, benötigt die große Mehrheit Batterien oder einen direkten Anschluss an das Stromnetz.

IoT-Geräte werden künftig in der Lage sein, Energie aus ihrer Umgebung zu gewinnen. Diese Strategie ermöglicht eine Skalierung und damit eine effizientere Überwachung der milliardenschweren Logistikbranche. Darüber hinaus werden die Kosten für die Ortung und Sicherung der Geräte gesenkt.

Weltraumforschung

Die Weltraumforschung ist einer der Sektoren, die in Zukunft am meisten von dieser Technologie profitieren könnten. Bereits jetzt wird intensiv an der Entwicklung zuverlässiger Methoden zur Energieversorgung von Weltraumkolonien gearbeitet. Diese neuesten Arbeiten eröffnen künftigen Astronauten und Forschern, die leichte Alternativen benötigen, neue Möglichkeiten zur Energiegewinnung.

Zeitplan für die Verbesserung der Energiegewinnung

Es wird noch über zehn Jahre dauern, bis ein Quantenenergie-Erntemotor in Ihren elektronischen Geräten zum Einsatz kommt. Die Technologie könnte jedoch für militärische, weltraumgestützte und medizinische Zwecke beschleunigt eingesetzt werden. In diesem Fall könnten sich innerhalb der nächsten fünf bis sieben Jahre kommerzielle Optionen ergeben.

Forscher zur Verbesserung von Energieerntemaschinen

Die Studie zur Verbesserung der Energiegewinnung war eine Zusammenarbeit zwischen der Fakultät für Physik des Institute of Science in Tokio und den NTT Basic Research Laboratories. In der Studie wird Professor Toshimasa Fujisawa als leitender Forscher genannt, unterstützt von Forscher Koji Muraki.

Zusätzliche Forschungsarbeit und Unterstützung leisteten Hikaru Yamazaki, Masashi Uemura, Haruhi Tanaka, Tokuro Hata, Chaojing Lin und Takafumi Akiho. Finanzielle Unterstützung für das Projekt wurde außerdem von der Japan Society for the Promotion of Science und dem Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie bereitgestellt.

Die Zukunft von Energieerntemaschinen verbessern

Die Zukunft der Energiegewinnung sieht spannend aus. Diese Technologie wird entscheidend dazu beitragen, die globale Energieeffizienz zu maximieren und die im Pariser Abkommen festgelegten Netto-Null-Kohlenstoffziele zu erreichen. Das Team arbeitet zunächst an der Verbesserung des Designs und der Suche nach Fertigungspartnern für den Ausbau seiner Aktivitäten.

Investitionen in den fortschrittlichen Energiesektor

Im Bereich der Energiegewinnung konkurrieren mehrere Unternehmen. Diese Firmen wollen mit ihren einzigartigen Geräten die Umweltverschmutzung reduzieren und verlorene Energie zurückgewinnen. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin Innovationsgeist beweist und gleichzeitig zuverlässige Produkte und Dienstleistungen liefert.

Energiegewölbe

Energy Vault trat 2017 in den Markt ein, um Gemeinden mit alternativen Energiequellen zu versorgen. Die Firmengründer Robert Allen Piconi und William Gross hatten die Vision, Gravitationspotenzialenergie zu nutzen, um mithilfe eines Kransystems Energie zu erzeugen.

Dieser einzigartige Ansatz erregte von Anfang an die Aufmerksamkeit von Investoren und Forschern. 2019 gewann das Unternehmen den World Changing Idea Award von Fast Company für sein einzigartiges Design und seinen Ansatz für netzunabhängige Speichermethoden. 2020 baute das Unternehmen im schweizerischen Castione-Arbedo ein funktionierendes elektrisches Speicherenergiesystem mit einem Kran.

Das funktionierende Modell wies einige Einschränkungen auf, die das Unternehmen dazu veranlassten, sich neuen Optionen zuzuwenden, darunter einer Aufzugsversion namens G-Vault. Wie die Kranversion speichert sie Energie durch das Anheben und Absenken von Blöcken.

Energy Vault verfügt heute über innovative Konzepte in verschiedenen Bereichen der Energiespeicherung und -produktion. In jüngster Zeit hat das Unternehmen sein Angebot um Hybridspeichermethoden, Wasserstoffbatterien und andere Technologien der nächsten Generation erweitert. Wer sich in den zukünftigen Energiemärkten engagieren möchte, sollte sich intensiver mit Energy Vault befassen.

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Verbesserung von Energieerntemaschinen | Fazit

Die Arbeit dieser Forscher öffnet die Tür für eine sauberere und effizientere Zukunft. Die Nutzung der Quantenmechanik zur Überwindung bestimmter Gesetze der Thermodynamik zeigt, wie diese Technologie in Zukunft neue Möglichkeiten schaffen wird. Daher verdient dieses Team Lob für seine harte Arbeit und seine bahnbrechenden Entdeckungen.

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Referenzen

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). Effiziente Wärmeenergieumwandlung aus einer nichtthermischen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}