Ερευνητές κατασκευάζουν τους πρώτους κβαντικούς κινητήρες για ένα μακρινό μέλλον χωρίς καύσιμα

Η Κβαντομηχανική είναι ένας κλάδος της Φυσικής που διερευνά τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων σε πολύ μικρή κλίμακα, όπως τα άτομα και τα μόρια. Αυτό έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που είναι πιο ισχυρές και αποδοτικές σε σύγκριση με τις αντίστοιχες συμβατικές, προκαλώντας ανακαλύψεις σε τομείς όπως η πληροφορική, η επικοινωνία και η ενέργεια.

Στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Okinawa (OIST), οι ερευνητές της Μονάδας Κβαντικών Συστημάτων συνεργάστηκαν με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Kaiserslautern-Landau και το Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης για να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν έναν κινητήρα που βασίζεται στους ειδικούς κανόνες που υπακούουν τα σωματίδια σε πολύ μικρές κλίμακες.

Ανέπτυξαν έναν κινητήρα που χρησιμοποιεί τις αρχές της Κβαντομηχανικής για τη δημιουργία ενέργειας, αντί του συνηθισμένου τρόπου καύσης καυσίμων. Η εργασία που περιγράφει τα αποτελέσματα αυτά είναι συν-συγγραφέας των ερευνητών του OIST Keerthy Menon, Dr. Eloisa Cuestas, Dr. Thomas Fogarty και Prof. Thomas Busch και δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature.

Σε έναν κλασικό κινητήρα αυτοκινήτου, συνήθως ένα μείγμα καυσίμου και αέρα αναφλέγεται μέσα σε έναν θάλαμο. Η έκρηξη που προκύπτει θερμαίνει το αέριο στο θάλαμο, το οποίο με τη σειρά του ωθεί ένα έμβολο μέσα και έξω, παράγοντας έργο που περιστρέφει τους τροχούς του αυτοκινήτου.

Στον κβαντικό κινητήρα τους οι επιστήμονες αντικατέστησαν τη χρήση θερμότητας με μια αλλαγή στην κβαντική φύση των σωματιδίων του αερίου. Για να καταλάβουμε πώς αυτή η αλλαγή μπορεί να τροφοδοτήσει τον κινητήρα, πρέπει να γνωρίζουμε ότι όλα τα σωματίδια στη φύση μπορούν να ταξινομηθούν είτε ως μποζόνια είτε ως φερμιόνια, με βάση τα ειδικά κβαντικά χαρακτηριστικά τους.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπου τα κβαντικά φαινόμενα γίνονται σημαντικά, τα μποζόνια έχουν χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση από τα φερμιόνια, και αυτή η ενεργειακή διαφορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ενός κινητήρα. Αντί να θερμαίνει και να ψύχει ένα αέριο κυκλικά, όπως κάνει ένας κλασικός κινητήρας, ο κβαντικός κινητήρας λειτουργεί μετατρέποντας τα μποζόνια σε φερμιόνια και πάλι πίσω.

«Για να μετατρέψετε φερμιόνια σε μποζόνια, μπορείτε να πάρετε δύο φερμιόνια και να τα συνδυάσετε σε ένα μόριο. Αυτό το νέο μόριο είναι ένα μποζόνιο. Η διάσπασή του μας επιτρέπει να ανακτήσουμε ξανά τα φερμιόνια. Κάνοντας αυτό κυκλικά, μπορούμε να τροφοδοτήσουμε τον κινητήρα χωρίς να χρησιμοποιήσουμε θερμότητα», εξήγησε ο καθηγητής Thomas Busch, επικεφαλής της Μονάδας Κβαντικών Συστημάτων.

Αν και αυτός ο τύπος κινητήρα λειτουργεί μόνο σε κβαντικό καθεστώς, η ομάδα διαπίστωσε ότι η απόδοσή του είναι αρκετά υψηλή και μπορεί να φτάσει έως και το 25% με την παρούσα πειραματική διάταξη που κατασκεύασαν οι συνεργάτες στη Γερμανία.

Αυτός ο νέος κινητήρας αποτελεί μια συναρπαστική εξέλιξη στον τομέα της Κβαντομηχανικής και έχει τη δυνατότητα να οδηγήσει σε περαιτέρω πρόοδο στον αναπτυσσόμενο τομέα των κβαντικών τεχνολογιών. Αυτό όμως σημαίνει ότι σύντομα θα δούμε την κβαντομηχανική να τροφοδοτεί τους κινητήρες των αυτοκινήτων μας;«Αν και τα συστήματα αυτά μπορούν να είναι εξαιρετικά αποδοτικά, έχουμε κάνει μόνο μια απόδειξη της έννοιας μαζί με τους πειραματικούς συνεργάτες μας», εξήγησε η Keerthy Menon. «Υπάρχουν ακόμη πολλές προκλήσεις για την κατασκευή ενός χρήσιμου κβαντικού κινητήρα».

Η θερμότητα μπορεί να καταστρέψει τα κβαντικά φαινόμενα αν η θερμοκρασία ανέβει πολύ ψηλά, οπότε οι ερευνητές πρέπει να διατηρούν το σύστημά τους όσο το δυνατόν πιο κρύο. Ωστόσο, αυτό απαιτεί σημαντική ποσότητα ενέργειας για να τρέξει το πείραμα σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες, προκειμένου να προστατευθεί η ευαίσθητη κβαντική κατάσταση.

Τα επόμενα βήματα της έρευνας θα περιλαμβάνουν την αντιμετώπιση θεμελιωδών θεωρητικών ερωτημάτων σχετικά με τη λειτουργία του συστήματος, τη βελτιστοποίηση της απόδοσής του και τη διερεύνηση της πιθανής εφαρμογής του σε άλλες ευρέως χρησιμοποιούμενες συσκευές, όπως μπαταρίες και αισθητήρες.

Εξάλλου, πρόσφατα μια ομάδα από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών παρουσίασε μια άλλη σημαντική ανακάλυψη: έναν κβαντικό κινητήρα που τροφοδοτείται πλήρως από την κβαντική διεμπλοκή. Η διεμπλοκή περιγράφεται συχνά ως το σήμα κατατεθέν της κβαντομηχανικής. Συμβαίνει όταν τα σωματίδια συνδέονται τόσο πολύ μεταξύ τους ώστε η κατάσταση του ενός να επηρεάζει ακαριαία το άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους. Κάποιοι την έχουν χρησιμοποιήσει ακόμη και για να υποδηλώσουν ότι ο χρόνος είναι μια ψευδαίσθηση.

Χρησιμοποιώντας άτομα ασβεστίου παγιδευμένα σε έναν κλωβό ιόντων, οι ερευνητές σχεδίασαν έναν κινητήρα που κατά τη λειτουργία του οδηγεί τα σωματίδια σε εξαιρετικά περιπλεγμένες καταστάσεις. Η διαδικασία είναι παρόμοια με εκείνη ενός τετράχρονου κινητήρα και ξεκινά όταν τα ιόντα απορροφούν φωτόνια από ένα laser, με αποτέλεσμα να διαστέλλονται.

Στη συνέχεια συνδέονται με ένα κβαντικό φορτίο, συμπιέζονται και προετοιμάζονται για τον επόμενο κύκλο. Ρυθμίζοντας με ακρίβεια τις ιδιότητες του laser, η ομάδα μπόρεσε να επιτύχει αυτή τη μετατροπή με αξιοσημείωτη ακρίβεια, αποδεικνύοντας ότι η διεμπλοκή μπορεί να αποτελέσει μια βιώσιμη πηγή ενέργειας για κβαντικούς κινητήρες.

Φυσικά, το να λειτουργήσουν αυτές οι μηχανές σε πραγματικές συνθήκες δεν είναι εύκολο. Οι κβαντικές μηχανές απαιτούν ακραίες συνθήκες, όπως η λειτουργία σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αλλά οι επιπτώσεις εδώ είναι συναρπαστικές. Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει, οι κβαντικοί κινητήρες θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν κβαντικούς υπολογιστές επόμενης γενιάς.

[via]