Οι συλλέκτες ενέργειας ξεπερνούν την απόδοση Carnot χρησιμοποιώντας μη θερμικές καταστάσεις ηλεκτρονίων

Εκμεταλλευόμενοι κβαντικές καταστάσεις που αποφεύγουν τη θερμική εξίσωση, ερευνητές από την Ιαπωνία κατάφεραν να ξεπεράσουν τα παραδοσιακά θερμοδυναμικά όρια, όπως αυτό της απόδοσης Carnot. Η ομάδα ανέπτυξε μια νέα προσέγγιση που χρησιμοποιεί ένα μη θερμικό υγρό Tomonaga-Luttinger (TL liquid) για τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια με υψηλότερη απόδοση από τις συμβατικές μεθόδους. Τα ευρήματα αυτά ανοίγουν τον δρόμο για πιο βιώσιμα ηλεκτρονικά χαμηλής ισχύος και για κβαντική υπολογιστική.

Απορριπτόμενη θερμότητα: Μια ανεκμετάλλευτη πηγή ενέργειας

Οι συσκευές συλλογής ενέργειας (energy harvesters) έχουν τη δυνατότητα να καταστήσουν τα ηλεκτρονικά και τις βιομηχανικές διαδικασίες πιο αποδοτικές, αξιοποιώντας ενέργεια από το περιβάλλον, όπως η θερμότητα που χάνεται από υπολογιστές, smartphones, εργοστάσια και άλλα. Ωστόσο, οι παραδοσιακές τεχνικές περιορίζονται από τους θερμοδυναμικούς νόμους, με απόδοση περιορισμένη από θεωρητικά όρια, όπως αυτό της Carnot και της Curzon-Ahlborn (η τελευταία αφορά την απόδοση σε μέγιστη ισχύ).

Η καινοτομία του TL liquid: Ενέργεια από μη θερμικές καταστάσεις

Η ερευνητική ομάδα υπό τον καθηγητή Toshimasa Fujisawa (Τμήμα Φυσικής, Institute of Science Tokyo), σε συνεργασία με τον ερευνητή Koji Muraki (NTT Basic Research Laboratories), δημοσίευσε στις 30 Σεπτεμβρίου 2025 (στο Communications Physics) μια πρωτοποριακή τεχνική συλλογής ενέργειας που χρησιμοποιεί κβαντικές, μη θερμικές καταστάσεις.

Στην προσέγγισή τους, αντί να βασίζονται σε θερμική ισορροπία, αξιοποιούν τις ιδιότητες του υγρού Tomonaga-Luttinger – ενός μονοδιάστατου ηλεκτρονικού συστήματος που δεν θερμοποιείται. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια δεν διαχέεται ισομερώς, όπως συμβαίνει σε συμβατικά θερμικά συστήματα. Αντίθετα, η μη θερμική κατάσταση διατηρείται, διατηρώντας υψηλή ενεργειακή πυκνότητα.

Το πείραμα: Από το transistor στο quantum-dot heat engine

Για να αποδείξουν την ιδέα, οι ερευνητές:

• Εισήγαγαν απορριπτόμενη θερμότητα από έναν κβαντικό μεταγωγέα σημείου (quantum point contact transistor)
• Μετέφεραν αυτή τη μη θερμική θερμότητα σε μια απόσταση μερικών μικρομέτρων μέσω του TL liquid
• Την παρέδωσαν σε έναν κβαντικό κινητήρα θερμότητας (quantum-dot heat engine), μια συσκευή που μετατρέπει θερμότητα σε ηλεκτρισμό μέσω κβαντικών φαινομένων

Το αποτέλεσμα ήταν πολύ υψηλότερη τάση και απόδοση μετατροπής σε σχέση με τη χρήση συμβατικών, θερμικά εξισορροπημένων πηγών θερμότητας.

Νέο θεωρητικό μοντέλο και ξεπέρασμα των θεωρητικών ορίων

Η ομάδα ανέπτυξε ένα μοντέλο δυαδικής κατανομής Fermi για να περιγράψει τις μη θερμικές καταστάσεις ηλεκτρονίων στο σύστημα. Με βάση αυτό, έδειξαν ότι η νέα τεχνική:

• Υπερβαίνει την απόδοση Carnot
• Ξεπερνά ακόμη και την απόδοση Curzon-Ahlborn, που ισχύει για κινητήρες μέγιστης ισχύος

Μελλοντικές εφαρμογές: Από κβαντικούς υπολογιστές σε φορητές συσκευές

Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η απορριπτόμενη θερμότητα από κβαντικούς υπολογιστές και ηλεκτρονικές συσκευές μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη ενέργεια μέσω αυτής της υψηλής απόδοσης τεχνολογίας συλλογής ενέργειας.

«Τα αποτελέσματα αυτά μας ενθαρρύνουν να αξιοποιήσουμε τα TL liquids ως μη θερμική ενεργειακή πηγή για νέα σχέδια συλλογής ενέργειας», δηλώνει ο Fujisawa.