Energiankeräimet ylittävät Carnot'n hyötysuhteen

Japanilaiset tutkijat raportoivat, että hyödyntämällä kvanttitiloja, jotka välttävät termisen tasapainotilan (thermalization), energiankerääjät voivat ylittää perinteiset termodynaamiset rajat, kuten Carnot'n hyötysuhteen.

Tutkimusryhmä kehitti uuden lähestymistavan, jossa käytetään ei-termistä Tomonaga-Luttinger-nestettä hukkalämmön muuntamiseksi sähköksi perinteisiä menetelmiä tehokkaammin. Nämä löydökset tasoittavat tietä kestävämmälle pienitehoiselle elektroniikalle ja kvanttilaskennalle.

Perinteisiä lämpöenergian keruumenetelmiä rajoittavat termodynamiikan lait.

Nyt Science Institute Tokion (Science Tokyo) fysiikan laitoksen professori Toshimasa Fujisawan johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä NTT Basic Research Laboratoriesin vanhemman tutkijan Koji Murakin kanssa löytänyt keinon ohittaa tämä este.

Tutkimusartikkelissaan tiimi esitteli uuden energiankeruutekniikan, joka käyttää ainutlaatuisia kvanttitiloja saavuttaakseen hyötysuhteita, jotka ylittävät perinteiset termodynaamiset rajat.

Perinteisten lämpötilojen sijaan tutkijat valjastivat käyttöön Tomonaga-Luttinger (TL) -nesteen ominaisuudet. Kyseessä on erityinen yksiulotteinen elektronijärjestelmä, joka kvanttiluonteensa vuoksi ei lämpene.

Tämä tarkoittaa, että kun lämpöä syötetään siihen, järjestelmä pysyy ei-lämpenevänä, korkeaenergisessä tilassaan sen sijaan, että se levittäisi energiaa ympärilleen, kuten perinteisessä lämpöjärjestelmässä tapahtuu.

Tutkimusryhmä suunnitteli kokeen tämän konseptin potentiaalin osoittamiseksi. He injektoivat kvanttipistekontaktitransistorin – elektronivirtausta TL-nesteeseen. Tämä ei-terminen lämpö kuljetettiin useita mikrometrejä kvanttipistelämpömoottoriin, joka on mikroskooppinen laite, joka muuntaa lämmön sähköksi kvanttiefektien avulla.

Tutkijat havaitsivat, että tämä epätavanomainen lämmönlähde tuotti huomattavasti korkeamman sähköjännitteen ja saavutti korkeamman muuntotehokkuuden, toimien paljon paremmin kuin perinteinen, lähes termisoitu (quasi-thermalized) lämmönlähde.

"Nämä tulokset rohkaisevat meitä hyödyntämään TL-nesteitä ei-lämpöenergian lähteenä uusissa energiankeruumalleissa", Fujisawa sanoo.

Myöhemmin tutkijat kehittivät binääriseen Fermi-jakaumaan perustuvan mallin, joka kuvasi ehdotetun järjestelmän ei-lämpöisiä elektronitiloja. Mallin avulla he osoittivat, että tekniikka ylittää paitsi Carnot'n hyötysuhteen myös Curzon-Ahlbornin hyötysuhteen, joka kuvaa perinteisten lämpömoottoreiden hyötysuhdetta maksimiteholla.

Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus avaa oven uuden sukupolven energiankeruulle, jossa hyödynnetään ei-lämmöllisiä kvanttitiloja.

"Tuloksemme viittaavat siihen, että kvanttitietokoneiden ja elektronisten laitteiden hukkalämpö voidaan muuntaa käyttökelpoiseksi energiaksi tehokkaan energiankeruun avulla", Fujisawa huomauttaa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä

Uusia materiaaleja akuille ja lämpösähköisille

Lämmönjohtavuus ja tunnelointi