Silnik kwantowy może sprężać gaz złożony z cząstek będących bozonami i dekompresować gaz złożony z cząstek będących fermionami.
Mechanika kwantowa to gałąź fizyki badająca właściwości i interakcje cząstek w bardzo małej skali, takich jak atomy i cząsteczki. Doprowadziło to do rozwoju nowych technologii, które są potężniejsze i wydajniejsze w porównaniu z ich konwencjonalnymi odpowiednikami, powodując przełomy w takich obszarach, jak informatyka, komunikacja i energia.
Sprawdź też: W ciągu 2 lat komputery kwantowe mogą wyprzedzić te klasyczne!
W Instytucie Nauki i Technologii na Okinawie (OIST — Okinawa Institute of Science and Technology) naukowcy z Jednostki Systemów Kwantowych współpracowali z naukowcami z Uniwersytetu w Kaiserslautern-Landau i Uniwersytetu w Stuttgarcie, aby zaprojektować i zbudować silnik oparty na specjalnych zasadach, którym podlegają cząstki w bardzo małych skalach.
Opracowali silnik, który wykorzystuje zasady mechaniki kwantowej do wytwarzania mocy zamiast zwykłego spalania paliwa. Artykuł opisujący te wyniki został napisany przez badaczy z OIST: Keerthy Menon, dr Eloisa Cuestas, dr Thomas Fogarty i prof. Thomas Busch i został opublikowany w czasopiśmie Nature.
W klasycznym silniku samochodowym zazwyczaj wewnątrz komory zapala się mieszanina paliwa i powietrza. Powstała eksplozja podgrzewa gaz w komorze, który z kolei wpycha i wypycha tłok, wytwarzając pracę powodującą obrót kół samochodu.
W swojej wersji silnika kwantowego naukowcy zastąpili wykorzystanie ciepła zmianą kwantowej natury cząstek w gazie. Aby zrozumieć, w jaki sposób ta zmiana może napędzać silnik, musimy wiedzieć, że wszystkie cząstki w przyrodzie można sklasyfikować jako bozony lub fermiony na podstawie ich specjalnych właściwości kwantowych.
W bardzo niskich temperaturach, gdzie istotne są efekty kwantowe, bozony mają niższy stan energetyczny niż fermiony i tę różnicę energii można wykorzystać do napędzania silnika. Zamiast cyklicznie podgrzewać i schładzać gaz, jak robi to klasyczny silnik, silnik kwantowy działa poprzez zamianę bozonów w fermiony i odwrotnie.
Aby zamienić fermiony w bozony, można wziąć dwa fermiony i połączyć je w cząsteczkę. Ta nowa cząsteczka to bozon. Rozbicie jej pozwala nam ponownie odzyskać fermiony. Robiąc to cyklicznie, możemy zasilać silnik bez użycia ciepła.
— wyjaśnił prof. Thomas Busch, kierownik Jednostki Systemów Kwantowych
Chociaż tego typu silnik działa tylko w trybie kwantowym, zespół stwierdził, że jego wydajność jest dość wysoka i może sięgać nawet 25% w obecnym układzie eksperymentalnym zbudowanym przez współpracowników w Niemczech.
Ten nowy silnik stanowi ekscytujący rozwój w dziedzinie mechaniki kwantowej i może doprowadzić do dalszych postępów w rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowych. Ale czy to oznacza, że wkrótce wykorzystamy mechanikę kwantową do napędzania silników naszych samochodów? „Chociaż systemy te mogą być bardzo wydajne, wspólnie z naszymi współpracownikami eksperymentalnymi przeprowadziliśmy jedynie weryfikację koncepcji” – wyjaśnił Keerthy Menon. „Zbudowanie użytecznego silnika kwantowego nadal wiąże się z wieloma wyzwaniami”.
Ciepło może zniszczyć efekty kwantowe, jeśli temperatura stanie się zbyt wysoka, dlatego badacze muszą utrzymywać w swoim systemie możliwie niską temperaturę. Wymaga to jednak znacznej ilości energii do przeprowadzenia eksperymentu w tak niskich temperaturach, aby chronić wrażliwy stan kwantowy.
Kolejne etapy badań będą polegać na odpowiedzi na podstawowe pytania teoretyczne dotyczące działania systemu, optymalizacji jego wydajności i zbadaniu jego potencjalnego zastosowania w innych powszechnie używanych urządzeniach, takich jak baterie i czujniki.
Więcej informacji: Artur Widera, A quantum engine in the BEC–BCS crossover, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06469-8.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Nature | Phys.org
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.