Japonci a „kosmická bariéra“ plýtvání energií pomocí kvantové fyziky
Když delší dobu funguje motor vašeho auta, všimnete si, že se zahřívá, že? To samé platí pro televize, počítače, telefony a většinu zařízení, která používáme doma i ve výrobě.
Ve světě zmítaném stále rostoucí energetickou krizí vyvstává zásadní otázka: Můžeme obnovit část toho obrovského tepla, které je každý den ztraceno v miliardách zařízení po celém světě?
Teplo je ztraceno téměř všude a zbývá téměř bez užitku. Nová studie zveřejněná v časopise „Communications Physics“ ukazuje, že se blížíme k radikální změně tohoto stavu, která by mohla přehodnotit hranice termodynamiky, jak jsme ji znali během posledních dvou století.
Podle Ahmada Qasima, vědce z chemického oddělení na Virginia Commonwealth University, který se na studii nepodílel: „Každý den plýtváme obrovským množstvím energie. Například motor vašeho auta ztrácí asi 60 % své energie ve formě tepla přes výfuk a chladič. Na celosvětové úrovni každoročně vyplýtváme množství energie, které odpovídá celkové spotřebě 15 zemí!“
Nicméně problém není jen v tomto tepelném plýtvání, ale také v hlubokém fyzikálním omezení efektivně ji znovu získat. Každý tepelný motor ve vesmíru, od parních strojů k jaderným elektrárnám, podléhá přísnému fyzikálnímu omezení, které vědci nazývají „Carnotovou hranicí“.
Efektivita našich motorů je primitivní
Carnotova hranice byla určena již v roce 1824 francouzským inženýrem Sadi Carnotem, aby vymezila maximální možnou účinnost přeměny tepla na užitečný pohyb. „Carnotův princip říká, že maximální účinnost jakéhokoli tepelného motoru závisí pouze na dvou teplotách,“ vysvětluje Qasim. „To znamená, že na základě rozdílu teplot mezi horkým a studeným zdrojem lze určit účinnost motoru, a žádný motor, bez ohledu na jeho konstrukci, nemůže tuto hranici překročit.“
Jinými slovy, i když je teplo obrovské, většina z něj se stává nepoužitelnou, protože se mění na náhodné vibrace atomů, které není možné přetvořit na práci. Například motor auta spaluje palivo, aby zvýšil teplotu, a poté využívá přenos tepla z horkého na studené k výrobě pohybu.
Tento proces probíhá skrze spalování paliva uvnitř válce, což zvyšuje a expanze vzduchu kvůli velmi vysokým teplotám spalování. Tento horký vzduch se rozšiřuje a tlačí píst s velkou silou, a pohyb pístu se přetváří na rotaci, která se přenáší na kola, což způsobuje pohyb automobilu. Ale ne veškeré vyprodukované teplo se promění na pohyb. Ve skutečnosti většina tepla uniká, a zde se projevuje Carnotova hranice.
Motor auta má dvě důležité oblasti: velmi horkou zónu, kde hoří palivo uvnitř válce, a studenou zónu, která získává svou chladnost z teploty okolního vzduchu či chladicí vody přidávané externě do vozu. Přenos tepla z horkého na studené pohání píst, ale účinnost tohoto přenosu tepla ve skutečném světě je velmi slabá, přičemž vaše auto plýtvá asi 70-80 % spalování benzínu ve formě tepla, což způsobuje, že účinnost motorů je pod hranicí, kterou nikdy nemohou překročit.
Všechno, co se inženýři snažili udělat v automobilovém průmyslu po desetiletí, je zvýšit rozdíl mezi horkým a studeným. Čím větší je tento rozdíl, tím větší je účinnost, a čím menší je rozdíl, tím menší je účinnost.
Problém však je, že pokud se motor stane příliš horkým a není chlazen, teplota „studené“ zóny se blíží teplotě hoření kvůli vysoké teplotě celého vozu, čímž se snižuje rozdíl a schopnost motoru generovat pohyb může být ohrožena, dokonce může motor selhat!
Proto automobily potřebují chladič, známý jako „radiátor“, ventilátor, chladicí vodu a celý chladicí okruh, aby se zabránilo přehřívání části, která by měla být studená, protože blízkost teploty horké a studené (nebo naopak) snižuje rozdíl a tím přímo snižuje účinnost podle Carnotovy hranice.
Průlom v kosmické bariéře
Během 200 let žádná technologie, tradiční ani pokročilá, nedokázala překročit Carnotovu hranici. Ale nová studie přináší ohromující překvapení prostřednictvím kvantové fyziky, která nám konečně může umožnit to udělat.
Revoluce spočívá v tom, že vědci využívají speciální kvantový stav nazývaný Tomonaga-Luttinger kapalina, což je jedinečná fáze, která se vyskytuje, když se elektrony pohybují v jedné dimenzi, jako chůze po úzké cestě, která neumožňuje autům se vzájemně předjíždět.
Qasim vysvětluje: „Když přidáte teplo, energie se rychle rozptýlí ve většině materiálů a elektrony dosáhnou náhodné tepelné rovnováhy. Ale v Tomonaga-Luttinger kapalině nelze energii náhodně šířit, ale zůstává extrémně organizovaná.“ Tato organizace zabraňuje přeměně tepla na „tepelný šum“ a udržuje jej v použitelné formě.
To však není všechno, elektron se rozkládá na dvě nezávislé části, náboj a spin, které se pohybují různými rychlostmi, což udržuje „pravidelné“ vrstvy nepromíchané energie.
Toshimasa Fujisawa z fyzikálního oddělení Tokijského vědeckého institutu v Japonsku uvedl: „Tyto výsledky nás povzbudily k použití kvantové kapaliny jako beztepelného energetického zdroje v nových návrzích pro sklizeň energie.“
Qasim dodává o kvantové kapalině: „Je to jako kbelík vody, pokud zahřejete jednu stranu v obyčejném materiálu, teplo se rychle rozptýlí v celém kbelíku. Avšak v kvantovém stavu (Tomonaga-Luttinger) zůstává voda rozdělena na horké a studené vrstvy. Tento organizovaný rozdíl může být využit k produkci mnohem více práce než homogenní teplá voda.“
Motor o velikosti atomu
Aby převedli organizovanou energii na elektrickou energii, vědci použili kvantový bod, což je nanoskopická molekula fungující jako superprecizní filtr energie. Qasim vysvětluje: „Kvantový bod funguje jako mikroskopický energetický převodník, jako daný vodní kolo, které funguje pouze se jednotlivými kapkami vody. Umožňuje průchod pouze elektronům s určitou energií, což velmi efektivně snímá energii z vyplýtvaného tepla.“
Když „horké“ elektrony narazí na kvantový bod, zachytí je a poté je okamžitě uvolní s menší energií, přičemž rozdíl v energii se přímo přetváří na elektrické napětí. Jinými slovy, kvantový bod funguje jako mikroskopická baterie, která se nabíjí teplem.
Aby otestovali účinnost svého přístupu, vědci porovnali dvě situace s použitím stejného množství ztraceného tepla, běžný tepelný stav, kde je energie náhodná, a organizovaný kvantový stav.
Výsledky byly důležité: V běžném tepelném stavu nepřesáhlo generované elektrické napětí 50 mikrovoltů, zatímco v organizovaném kvantovém stavu dosáhlo elektrické napětí 130 mikrovoltů, což znamená zvýšení o 160 % v napětí a významný nárůst účinnosti, který přesahuje tradiční Carnotovu hranici!
Fujisawa říká: „Naše výsledky naznačují možnost přetváření ztraceného tepla z kvantových počítačů a elektronických zařízení na použitelnou energii prostřednictvím vysoce výkonného získávání energie.“
Qasim popisuje výsledky jako objev v jednom z nejdůležitějších základních fyzikálních zákonů a dodává: „Je to, jako by výzkumníci neporušili Carnotovu hranici, ale pracovali v systému, na který Carnotova hranice vůbec neplatí.“
Zmínění mapy energie
Pokud by bylo možné tuto technologii rozvinout ve velkém měřítku, potenciální aplikace jsou obrovské a zahrnují automobilové motory a výfukové systémy, kde je možné obnovit část ztracených 70-80 % energie jako tepla. Mohly by být také využity v čipech počítačů a elektronických zařízeních, kde se energie ztrácí ve formě tepla, což zvyšuje náklady na chlazení.
Mohli bychom také snížit tepelný odpad, který v některých elektrárnách dosahuje více než 60 %. „Pokud bychom se podařilo zotavit část ztraceného tepla, mohli bychom výrazně snížit globální spotřebu energie a emise uhlíku,“ říká Qasim.
Navzdory tomu, co představuje tato studie jako výrazný fyzikální pokrok, nepřináší postupné zlepšení, ale konceptuální průlom, který otevírá dveře nové éře tepelných motorů a generátorů. Qasim končí svou vizi se smíšením optimismu a opatrnosti: „Stále jsme v počátečních fázích, ale pokud se podaří rozvinout tuto technologii, mohli bychom být svědky zlomového okamžiku v historii energie. Okamžiku, který by mohl být srovnatelný s přechodem od uhlí k elektřině, nebo od parních strojů k moderním motorům.“
Úspěch tohoto přístupu by nevyhnutelně znamenal změnu něčeho zásadního, co nás jako lidstvo vždy provázelo: nadcházející éra by mohla být érou obnovy energie místo jejího plýtvání poprvé v naší lidské historii. A dostatek energie by mohl pohánět náš svět a naši lidskou civilizaci k hranicím, které si nyní těžko dokážeme představit.
