Квантові енергетичні комбайни живлять наступне покоління

Дослідники з Інституту науки в Токіо розробили спосіб удосконалення систем збору енергії для електроніки. Їхній новий підхід використовує квантову механіку для подолання термодинамічних обмежень, що існують у традиційних системах збору енергії. Таким чином, їхня робота має потенціал перетворити втрачену енергію на життєздатне джерело енергії для високотехнологічних пристроїв майбутнього. Ось що вам потрібно знати.

Збір енергії

Збір енергії – це усталена теорія, яка просто стосується перетворення втраченої енергії, що виділяється навколишнім середовищем або технологіями, в енергію для інших пристроїв. У минулому ця наука включала такі концепції, як використання різниці температур між поверхнею океану та його глибшими ділянками для вироблення енергії. Одним із відомих прикладів збору енергії в дії є енергетична вежа Ніколи Тесли, яка могла живити лампочку без будь-яких дротів.

Сьогодні збор енергії – це наукова галузь, що розвивається, яка досліджує збір енергетичних відходів з різних областей. Деякі приклади включають теплові градієнти, радіочастотні сигнали та обчислювальне обладнання, аж до цілих електростанцій. Однією з головних переваг збору енергії є те, що він забезпечує доступний та сталий спосіб підвищення ефективності та зниження витрат. Як наслідок, його популярність зростає.

Проблеми, що обмежують ефективність сучасного збору енергії

Технології збору енергії продовжують удосконалюватися. Однак, все ще існує кілька обмежень, які вченим потрібно буде подолати для досягнення оптимальної продуктивності. По-перше, традиційні технології збору енергії пов'язані з законами термодинаміки, зокрема:

Ефективність Карно

Один з основних обмежувальних факторів, що лімітують збирання енергії сьогодні, відомий як коефіцієнт корисної дії Карно. Цей закон термодинаміки описує максимальні можливості теплопередачі та коефіцієнт корисної дії між окремими тепловими резервуарами. Цей відсоток дозволяє вченим точно передбачити, скільки енергії можна виробити з відпрацьованого тепла.

Ефективність Керзона-Альборна

ККД Керзона-Альборна – це ще один важливий закон, який також обмежує ефективність пристроїв для збору енергії. Він використовується для визначення максимальної ефективності, яку можна отримати за роботи на повній потужності. Це рівняння, поряд з ККД Карно, використовується інженерами для оптимізації та вдосконалення пристроїв для збору енергії.

Квантове дослідження для підвищення ефективності збору енергії

Визнаючи ці обмеження, інноваційна команда дослідників з Японії застосувала новий підхід до технологій теплопередачі. Ефективне перетворення теплової енергії з нетермічної рідини Томонаги-Латтінгера¹ дослідження, опубліковане в журналі Communications Physics, представляє нову стратегію, яка використовує квантову механіку для подолання меж традиційної термодинаміки.

Нетеплова рідина Томонага-Латтінгера

В основі дослідження лежить використання нетермічної рідини Томонаги-Латтінгера для захоплення та міграції теплової енергії. Використання квантових теплових двигунів має деякі важливі переваги. Наприклад, ці квантові теплові двигуни використовують нетермічні резервуари — тут нетермічну рідину Томонаги-Латтінгера (TL) — для отримання більше корисної роботи, ніж класичні установки.

Квантові крайові канали Холла (1D-транспорт)

Використовуючи квантовий підхід, інженери змогли природним чином створити нетепловий стан у межах спеціально розроблених квантових каналів Холла на краях. Цей підхід спирається на вуглецеві нанотрубки для розбиття енергії на один вимір.

Джерело - Токійський інститут наук

Такий підхід дозволяє отримати бінарну функцію розподілу Фермі для нетеплового стану. Цей стан природним чином індукується рівновагою зі збереженням ентропії. Примітно, що цей квантовий стан є ідеальним, оскільки він не зазнає термалізації, зменшуючи будь-які втрати або витік теплової енергії.

Ця стратегія дозволяє одновимірній електронній системі безпосередньо передавати тепловий стан. Такий підхід зберігає високоенергетичний стан, не розсіюючи його, як це було в попередніх технологіях збору енергії. На основі цього команда створила комп'ютерну модель, яку можна використовувати для проектування майбутніх технологій збору енергії з більшою ефективністю.

Експериментальне випробування квантового збирача енергії

В рамках свого дослідження інженери створили робочий механізм збору енергії. Пристрій інтегрував нетермічну рідинну стратегію Томонаги-Латтінгера (TL) для передачі енергії квантових точок від квантово-точкового транзистора.

Це підтвердження концепції дозволяє максимально ефективно захоплювати тепло, що створюється квантовим точковим контактним транзистором, безпосередньо в рідину. Цікаво, що квантові точки передавали тепло в рідину TL. на мікрометрових відстанях, що обмежує дисперсію.

Покращення результатів випробувань енергетичних комбайнів

Вчені із задоволенням задокументували, що їхній новий підхід успішно перевершив попередні методи збору енергії. Використання нетермічної рідини TL замість квазітермалізованої рідини TL забезпечило більшу ефективність перетворення електричної енергії, а також вищу електрорушійну силу.

Вражаюче, що збирач теплової енергії на основі квантових точок зумів досягти ефективності, вищої за обмеження ефективності Карно та Керзона-Альборна, які перешкоджали його попереднику. Отже, ця розробка знаменує собою важливу віху в технологіях збору енергії та квантових технологій.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Переваги технології квантового збору енергії

Ця робота приносить багато переваг сектору. По-перше, вона демонструє робочу високопродуктивну альтернативу традиційним варіантам збору енергії. Це рішення може перетворювати відпрацьоване тепло на електроенергію з рекордною ефективністю, відкриваючи шлях для потужнішої електроніки, квантових пристроїв тощо.

Реальні застосування та часова шкала

Команда Удосконалення енергетичних комбайнів Дослідження відкриває двері для більш ефективних та потужних технологій збору енергії в майбутньому. Від космічних подорожей до охолодження смартфона, ця технологія змінить спосіб створення пристроїв інженерами. Ось лише кілька потенційних застосувань.

Безпека

Системи безпеки отримають значну користь від можливості збирати втрачену енергію з місць та пристроїв, для моніторингу яких вони призначені. Уявіть собі електростанції з цілодобовими охоронними пристроями, що живляться від тепла, яке випромінюють їхні турбіни, на відміну від електроенергії, що виробляється з електромережі відповідного місця розташування.

Medical

Медична галузь обов'язково знайде сценарії використання для цієї технології. Передові технології збору енергії вже використовуються в п'єзоелектронних носимих пристроях. У майбутньому квантові точкові збирачі енергії можуть допомогти забезпечити тривалішу роботу малопотужних пристроїв, таких як кардіомонітори, без ризику забруднення батареї.

Логістика

Логістичний сектор використовуватиме цю технологію у формі пристроїв Інтернету речей (IoT). Ці крихітні розумні датчики вже допомогли зменшити неефективність, шахрайство та підробки. Однак їх застосування обмежене через обмеження потужності. Хоча деякі можуть покладатися на сонячну енергію, переважна більшість потребує батарей або прямого підключення до мережі.

У майбутньому пристрої Інтернету речей зможуть генерувати енергію з навколишнього середовища. Ця стратегія дозволить їх масштабувати, що забезпечить ефективніший моніторинг величезної логістичної галузі з мільярдним оборотом. Крім того, це знизить витрати, пов'язані з пристроями відстеження та безпеки.

Дослідження космічного простору

Космічні дослідження – один із секторів, який може отримати максимальну віддачу від цієї технології в майбутньому. Вже зараз ведеться багато роботи з пошуку надійних методів енергопостачання космічних колоній. Ця остання робота відкриває двері до варіантів збору енергії для майбутніх астронавтів та дослідників, яким потрібні легкі альтернативи.

Хронологія вдосконалення енергетичних комбайнів

Мине понад 10 років, перш ніж ви побачите квантовий двигун для збору енергії, який використовується в ваших електронних пристроях. Однак ця технологія може бути прискорено впроваджена для військових, космічних та медичних цілей. Якщо так, то комерційні варіанти можуть почати з'являтися протягом наступних 5-7 років.

Удосконалення дослідників збирачів енергії

Дослідження вдосконалення збирачів енергії було результатом співпраці кафедри фізики Інституту наук у Токіо та Лабораторій фундаментальних досліджень NTT. У статті професор Тосімаса Фудзісава зазначений як провідний дослідник за підтримки дослідника Кодзі Муракі.

Додаткові дослідження та допомогу надали Хікару Ямадзакі, Масаші Уемура, Харухі Танака, Токуро Хата, Чаоцзін Лін та Такафумі Акіхо. Крім того, фінансування проекту було забезпечено Японським товариством сприяння науці та Міністерством освіти, культури, спорту, науки і технологій.

Покращення майбутнього енергетичних комбайнів

Майбутнє енергетичних комбайнів виглядає захоплюючим. Ця технологія буде важливою для максимізації глобальної енергоефективності та досягнення цілей нульового викиду вуглецю, встановлених Паризькою угодою. Наразі команда працюватиме над удосконаленням їхньої конструкції та пошуком виробничих партнерів для розширення своєї діяльності.

Інвестування в сектор передової енергетики

У секторі збирачів енергії конкурує кілька компаній. Ці фірми прагнуть зменшити забруднення та допомогти відновити втрачену енергію за допомогою своїх унікальних пристроїв. Ось одна компанія, яка продовжує демонструвати інноваційний дух, водночас надаючи надійні продукти та послуги.

Енергетичний сховище

Компанія Energy Vault вийшла на ринок у 2017 році, щоб забезпечити громади альтернативними джерелами енергії. Засновники компанії, Роберт Аллен Піконі та Вільям Гросс, задумали використовувати гравітаційну потенційну енергію для створення енергії за допомогою кранової системи.

Цей унікальний підхід привернув увагу інвесторів та дослідників з самого початку. У 2019 році компанія отримала нагороду Fast Company's World Changing Idea Award завдяки своєму унікальному дизайну та підходу до методів автономного зберігання енергії. Примітно, що у 2020 році фірма побудувала робочу систему зберігання електроенергії на крані в Кастіоне-Арбедо, Швейцарія.