Zespół z Tokyo Institute of Technology opracował rewolucyjną metodę pozyskiwania energii z mikroskopijnych strat cieplnych i egzotycznych stanów kwantowych. Dzięki wykorzystaniu tzw. nietermicznej cieczy Tomonaga‑Luttinger liquid oraz konstrukcji silnika cieplnego opartego na kropce kwantowej, możliwe jest uzyskanie nawet dwukrotnie wyższego napięcia niż w tradycyjnych układach.
Technologia może zrewolucjonizować zasilanie mikrosensorów, punktów IoT i innych urządzeń, które dziś wymagają baterii lub paneli – a w przyszłości korzystać z „powietrznych” strat energii.
Mechanizm działania nowej technologii
W tradycyjnych próbach odzysku ciepła ograniczeniem jest klasyczne prawo sprawności – tzw. granica Carnota.
Tymczasem japoński zespół sięgnął po konstrukcję z dwoma kluczowymi komponentami – punktowym stykiem kwantowym pełniącym rolę generatora ciepła oraz kropką kwantową działającą jak silnik cieplny.
Całość działa w układzie, gdzie elementy są oddalone o zaledwie 2 µm, co podkreśla ekstremalną miniaturyzację.
Kluczowy jest stan materii – ciekła forma Tomonaga-Luttingera, czyli elektrony w układzie jednowymiarowym, które utrzymują wysokoenergetyczny stan kwantowy i opierają się naturalnej termalizacji.
Wyniki eksperymentu wykazały generowanie napięcia rzędu ~130 µV przy tej samej ilości ciepła, gdzie tradycyjne układy osiągały ~50 µV – co oznacza ponad dwukrotną poprawę.
Dodatkowo sprawność w warunkach zerowej mocy przekraczała 60 % – co w klasycznych układach było uważane za granicę. W maksymalnej mocy efektywność technologii kwantowej przekraczała 40 %, podczas gdy stare metody pozostawały poniżej tego poziomu.
Jakie zastosowania mogą być możliwe w praktyce?
Nowa technologia nie będzie od razu zasilać smartfonów czy laptopów – głównie ze względu na limitowaną moc wyjściową i wymagania względem konstrukcji elektroniki. Zespół wskazuje jednak na konkretne środowiska: czujniki jakości powietrza, liczniki parkowania, nadajniki IoT lub infrastruktura przemysłowa, gdzie baterie wymagają częstej wymiany lub panele fotowoltaiczne – konserwacji.
Inne możliwe scenariusze to serwerownie i urządzenia brzegowe (edge devices), gdzie straty cieplne są naturalnym efektem pracy. W takim kontekście aktywna konwersja mikrostraw na zasilanie telemetrycznych układów lub mikrokontrolerów może przynieść realne korzyści.
Aby jednak technologia weszła w masową produkcję, potrzebne są zmiany w architekturze układów – np. podsystemy „energy-harvesting-ready”, konwertery startujące z bardzo niskiego napięcia, układy buforujące energię z mikrowoltów czy pamięci o bardzo niskim poborze mocy.
Wyzwania i ograniczenia przed wejściem na rynek
Choć wyniki są imponujące, droga do komercjalizacji będzie wymagała pokonania istotnych barier. Przede wszystkim – chociaż sprawność osiągnięta w eksperymencie wydaje się znaczna, moc wyjściowa jest bardzo mała. To oznacza, że obecnie technologia nadaje się głównie do ultra-niskiego poboru mocy urządzeń.
Ponadto miniaturyzacja i wymogi produkcyjne (np. łączenie elementów w odległości mikrometrów, kontrola stanu niewielkich układów kwantowych) podkreślają konieczność zaawansowanych i kosztownych procesów wytwarzania. Dodatkowo, trzeba przemyśleć aspekty kompatybilności z istniejącą elektroniką oraz stabilności długoterminowej takich układów.
Wreszcie, chociaż prace wskazują, że kwantowe silniki cieplne mogą przekraczać klasyczne ograniczenia (jak w przypadku twierdzenia Carnota) w pewnych warunkach, to nadal są to wyniki laboratoryjne.
Co to oznacza dla przyszłości elektroniki?
Można zaryzykować stwierdzenie, że technologia ta może być jednym z elementów przyszłej ery “zero-bateria” w urządzeniach ultra-niskiego poboru mocy. Wyobraźmy sobie miasto, w którym czujniki, liczniki, nadajniki nie wymagają wymiany baterii co kilka lat ani paneli do czyszczenia – one po prostu zbierają energię z otoczenia, w tym z mikro-strat cieplnych.
Z perspektywy strategii IoT i infrastruktury „smart”, taki krok może obniżyć koszty operacyjne, przyczynić się do większej niezależności urządzeń i mniejszego wpływu na środowisko (mniej baterii, mniej serwisów).
Jeśli technologia się upowszechni – może to również otworzyć nowe ścieżki w projektowaniu układów elektronicznych: projektanci mogą przestać patrzeć tylko na wydajność pracy, ale także na minimalizację strat, które potem mogą być odzyskane jako energia. W ten sposób stratne ciepło zmienia się z problemu w potencjał.
Źródło:
- https://www.chip.pl/2025/10/prad-z-powietrza-kwantowe-silniki-cieplne
- https://www.chip.pl/2025/10/twierdzenie-carnota-silniki-kwantowe
- https://arxiv.org/abs/1710.00742