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Un gruppo di ricercatori giapponesi ha messo a punto un metodo di recupero dell’energia dal calore, affidandosi a un concetto quasi paradossale: usare il disordine termico per produrre elettricità con una efficienza superiore ai limiti della termodinamica classica.
Alla base della scoperta c’è un sistema quantistico chiamato liquido di Tomonaga-Luttinger (TL), che riesce a mantenere uno stato energetico elevato senza “spalmare” il calore in modo uniforme come farebbe un normale materiale. In altre parole, invece di disperdere l’energia in tutto il sistema, questo particolare stato quantico la concentra, rendendo possibile un’estrazione elettrica più efficiente.
Gli scienziati hanno dimostrato che, se si riscalda un TL liquido in condizioni controllate, gli elettroni al suo interno non si comportano come in un sistema termico tradizionale. Mentre normalmente il calore porta a una distribuzione uniforme dell’energia, nel caso del TL liquido il sistema resiste alla “termalizzazione”: rimane cioè in uno stato non termico, conservando una maggiore quantità di energia disponibile per essere convertita in elettricità.
Il risultato è sorprendente: la conversione energetica osservata supera i limiti di efficienza di Carnot e Curzon-Ahlborn, che rappresentano i massimi teorici per un sistema termodinamico classico. In termini pratici, significa che questo metodo riesce a ottenere più energia elettrica dalla stessa quantità di calore rispetto a qualsiasi motore o generatore basato su principi tradizionali.
Per dimostrarlo, il team ha sfruttato un transistor a punto quantico, un minuscolo dispositivo che controlla il flusso di elettroni, come sorgente di calore. Il calore generato è stato trasferito in un canale costituito da un TL liquido, e da lì fino a un piccolo motore termico quantico. Il sistema ha prodotto una tensione elettrica molto più alta rispetto a quella ottenuta con una sorgente termica convenzionale.
La chiave, spiegano i ricercatori, sta nella natura quantistica collettiva del TL liquido: gli elettroni non agiscono più come particelle indipendenti, ma come un’unica entità coerente, capace di mantenere uno stato “ordinato” anche sotto l’effetto del calore. Per descrivere questo comportamento, gli scienziati hanno elaborato un modello teorico basato su una distribuzione di Fermi binaria, che spiega come la configurazione non termica possa generare un campo elettrico più intenso e una migliore conversione energetica.
Un giorno, spiega il professor Toshimasa Fujisawa del Tokyo Institute of Science, potremmo recuperare l’energia dispersa dai computer, dagli smartphone o persino dai futuri computer quantistici, convertendola direttamente in elettricità.