Dit plaatje toont een vereenvoudigd diagram van de nieuwe energie-oogsttechniek met behulp van een TL-vloeistof. Dit zou slinkse, kwantummechanische wijze zijn om thermostatische grenzen te doorbreken en afvalwarmte met hoog rendement om te zetten in elektriciteit. (afb:: Wetenschapsinstituut Tokio)

Door gebruik te maken van kwantumtoe-standen die warmtevorming vermijden, kunnen energieoogsters traditionele thermodynamische grenzen zoals het Carnotrendement overtreffen, melden onderzoekers uit Japan. Ze ontwikkelden een nieuwe aanpak met behulp van een niet-thermische Tomonaga-Luttinger-vloeistof om restwarmte met een hoger rendement om te zetten in elektriciteit dan volgens heersende thermodynamische wetten mogelijk is.
Energieoogsters zijn systemen die energie uit bronnen in de omgeving halen. Die hebben de potentie om energieomzettingen veel efficiënter te maken. We worden omringd door restwarmte, die overal wordt gegenereerd door computers, energiecentrales en fabrieksapparatuur. Energiewinningstechnologieën bieden een manier om deze verloren energie om te zetten in elektriciteit.
Conventionele methoden voor energiewinning worden echter beperkt door de wetten van de thermodynamica. In systemen die afhankelijk zijn van thermisch evenwicht, leggen deze wetten fundamentele limieten op aan de warmteomzettingsefficiëntie, die de verhouding beschrijft tussen het opgewekte elektrische vermogen en de warmte die uit de restwarmte wordt gewonnen.
Zo hebben we het welbekende maximale rendement van de Carnotcyclus. Dergelijke thermodynamische limieten, zoals ook het Curzon-Ahlbornrendement. Dat is de warmteomzettingsefficiëntie onder de condities voor het verkrijgen van maximaal elektrisch vermogen dat uit restwarmte te peuren is.

Nu hebben onderzoekers rond Toshimasa Fujisawa van de faculteit Natuurkunde van het wetenschapsinstituut in Tokio, in samenwerking met Koji Muraki van NTT-labs in Japan, een manier gevonden om deze barrière te doorbreken. Ze gebruikten een ​​nieuwe energiewinningstechniek gebaseerd op kwantumtoestanden om rendementen te bereiken die de conventionele thermodynamische ‘grenzen’ doorbreken.

Tomonaga-Luttingervloeistof

In plaats van te vertrouwen op traditionele thermische toestanden, maakten de onderzoekers gebruik van de eigenschappen van een niet-thermische Tomonaga-Luttinger-vloeistof. Dat is een speciaal type eendimensionaal elektronensysteem dat, vanwege zijn kwantumkarakter, niet thermaliseert. Dat betekent dat wanneer er warmte wordt toegevoegd, het systeem zijn niet-thermische, hoogenergetische toestand behoudt in plaats van de energie gelijkmatig te verspreiden, zoals gebeurt in een conventioneel thermisch systeem.

De onderzoekers ontwierpen een experiment om de mogelijkheden van dit idee aan te tonen. Ze injecteerden restwarmte van een kwantumpuntcontacttransistor – een apparaat dat de elektronenstroom regelt – in een TL-vloeistof. Deze niet-thermische warmte (???; as) werd enkele micrometers getransporteerd naar een kwantumstipwarmtemotor, een microscopisch apparaat dat warmte omzet in elektriciteit door middel van kwantumeffecten.
Ze zagen dat deze onconventionele warmtebron een aanzienlijk hogere elektrische spanning produceerde en een hogere omzettingsrendement behaalde, dat veel beter presteerde dan een conventionele, quasi-thermische warmtebron. Fujisawa: “Deze resultaten moedigen ons aan om TL-vloeistoffen te gebruiken als een niet-thermische energiebron voor nieuwe ontwerpen voor energiewinning.”
Vervolgens ontwikkelden ze een model gebaseerd op een binaire Fermiverdeling om de niet-thermische elektrontoestanden in het voorgestelde systeem te beschrijven.

Hiermee toonden ze aan dat hun techniek niet alleen het Carnotrendement overtreft, maar ook de Curzon-Ahlbornefficiëntie, die het rendement bij maximaal vermogen van conventionele warmtemotoren beschrijft. Dit onderzoek opent de deur naar een nieuwe generatie energiewinning, waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-thermische kwantumtoestanden, aldus Fujisawa en de zijnen. Of we het dan ook hebben aan een serieuze poging onze (’s mensen) energiehonger te stillen kon ik(=as) zo in de gauwigheid niet achterhalen.

Bron: phys.org