Японські дослідники з Токійського інституту знайшли спосіб подолати традиційні термодинамічні обмеження, такі як ККД Карно, використовуючи не термалізовані квантові стани.

У своїй роботі вчені пропонують використовувати нетермічну рідину Томонагі-Латтінжератеоретична модель, що описує взаємодію електронів (або інших ферміонів) в одномірному провіднику (наприклад, квантових дротах, таких як вуглецеві нанотрубки) для перетворення тепла, що відводиться, в електричну енергію з більшою ефективністю порівняно з традиційними системами. 

Сучасні технології збирання енергії являють собою пристрої, які збирають енергію з навколишнього середовища, підвищуючи ефективність сучасної електроніки та промислових процесів. Тепло, що відходить, безперервно генерується комп’ютерами, смартфонами, промисловим обладнанням, потужними енергетичними системами. Збирання цієї енергії дозволяє використовувати тепло замість того, аби воно було втрачене, та перетворювати на електрику.

Традиційні системи збирання енергії обмежені фундаментальними принципами термодинаміки. Системи, що працюють у стані теплової рівноваги, мають суворі обмеження на кількість тепла, яке можна перетворити на електроенергію. Відношення між виробленою енергією та отриманим теплом, що відводиться, визначається коефіцієнтом Карно. Додаткові обмеження, зокрема, ККД Керзона-Альборна — (ККД за максимальної вихідної потужності), ще більше обмежують кількість енергії, яку можна отримати з тепла, що відводиться.

Дослідники під керівництвом професора Тосімаси Фудзісави з кафедри фізики Токійського наукового інституту заявляють, що знайшли спосіб обійти ці обмеження. Замість традиційних теплових станів вчені використали властивості нетеплової рідини Томонагі-Латтінжера. Ця особлива одновимірна електронна система внаслідок унікальних квантових властивостей не прагне до теплової рівноваги. Це означає, що за подачі тепла система зберігає нетепловий, високоенергетичний стан, а не розподіляє енергію рівномірно, як у традиційних теплових циклах. 

Для демонстрації потенціалу концепції дослідники провели експеримент. Вони інжектували тепло, що відводиться від квантового точкового резистора — пристрою, який керує потоком електронів, в термоелектричну рідину. Це тепло переносилось на кілька мікрометрів у тепловий двигун на квантових точках — мікроскопічний пристрій, що перетворює тепло на електрику за допомогою квантових ефектів. 

Вчені переконались, що нетрадиційне джерело тепла виробляло значно вищу електричну напругу і досягало більшої ефективності перетворення.

Дослідники розробили модель, засновану на бінарній функції розподілу Фермі для нетеплових електронних станів, і використали її у запропонованій системі. Вчені продемонстрували, що їхній метод перевершує не тільки ККД Карно, а й ККД Керзона-Альборна. 

Варто зазначити, що ККД Карно являє собою максимально можливий ККД для будь-якої теплової системи, що працює за умов постійної температури нагрівача T1 та охолоджувача T2. Оскільки ідеальні процеси можуть здійснюватися лише з дуже малою швидкістю, потужність теплової машини в циклі Карно дорівнює нулю. Потужність реальних теплових машин не може дорівнювати нулю, тому реальні процеси можуть наближатися до ідеального процесу Карно тільки з більшим або меншим ступенем точності. ККД будь-якої теплової машини не може перевершувати ККД ідеальної теплової машини, що працює за циклом Карно з тими ж температурами нагрівача і холодильника. 

Результати дослідження опубліковані у журналі Communications Physics

Джерело: SciTechDaily