Om man rör vid baksidan av en bärbar dator känns den ofta varm. Det beror på att en del av den energi som används för beräkningar och kommunikation avges till omgivningen i form av värme.
Men även denna ”spillvärme” innehåller fortfarande en stor mängd användbar energi. Teknik som omvandlar sådan spillvärme till elektricitet för återanvändning kallas energiåtervinning.
Klassiska och kvantmekaniska metoder för spillvärme
Konventionella energiskördningstekniker har utvecklats inom ramen för klassisk termodynamik. I klassisk termodynamik antas en värmekälla vanligtvis befinna sig i termisk jämvikt – ett stabilt tillstånd där temperaturen blir jämn och värmeflödet är minimalt.
Men när spillvärmen närmar sig termisk jämvikt minskar mängden energi som kan återanvändas, och följaktligen minskar också mängden som kan utvinnas som elektricitet.
Av denna anledning har forskare fokuserat på icke-termiska tillstånd, speciella kvanttillstånd som inte hamnar i termisk jämvikt. Icke-termiska tillstånd har realiserats på olika sätt – till exempel i atomer vars temperaturfördelning styrs av lasrar, eller i koherenta atomensembler (speciella tillstånd där många atomer beter sig synkront och följer samma rytm).
I många fall kräver dock skapandet av dessa icke-termiska tillstånd mycket precis kontroll, vilket gör praktiska tillämpningar för energiåtervinning utmanande.
Löftet om Tomonaga–Luttinger-vätskor
Under de senaste åren har en lovande kandidat fått alltmer uppmärksamhet: Tomonaga–Luttinger-vätskan (TL-vätska). En TL-vätska avser ett speciellt tillstånd där elektroner är begränsade till en smal kanal och rör sig kollektivt samtidigt som de starkt påverkar varandra. I stället för att bete sig oberoende av varandra flödar elektronerna på ett samordnat sätt som påminner om en vätska – därav namnet.
I TL-vätskor slappnar elektronenergin inte lätt av till termisk jämvikt, och icke-termiska tillstånd kan upprätthållas naturligt. Detta har lett till förväntningar om att TL-vätskor skulle kunna vara användbara för energiutvinning, men det har varit oklart om de verkligen är fördelaktiga för termoelektrisk omvandling.
Experimentellt genombrott och resultat
Ett forskarteam under ledning av professor Toshimasa Fujisawa från Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) har nu tillhandahållit världens första tydliga experimentella bevis som besvarar denna fråga. I sin studie, som publicerades i tidskriften Communications Physics, tillverkade teamet en kompakt energiskördande enhet som utnyttjar ett naturligt förekommande icke-termiskt tillstånd (NT-tillståndet) i en TL-vätska och jämförde dess förmåga att omvandla värme till elektricitet med ett tillstånd nära termisk jämvikt (QT-tillståndet).
Resultaten visade att när samma mängd värme tillfördes var spänningen som genererades i NT-tillståndet ungefär två till tre gånger högre än i QT-tillståndet. Gruppen bekräftade också att omvandlingseffektiviteten från värme till elektricitet var genomgående högre i NT-tillståndet.
Varför icke-termiska tillstånd är fördelaktiga
Nyckeln till att förstå varför NT-tillståndet är fördelaktigt ligger i hur elektronisk energi fördelas. Analysen visade att elektroner i NT-tillståndet uppvisar en fördelning där populationer med hög energi och låg energi samexisterar samtidigt som oordningen (entropin) bibehålls. Med andra ord, istället för att slappna av enhetligt som i termisk jämvikt, kvarstår en framträdande population av högenergielektroner, vilket gör det lättare att utvinna elektrisk energi.
Implikationer och framtida inriktningar
Denna prestation markerar ett stort framsteg inom teknik som omvandlar spillvärme till elektricitet. Potentiella tillämpningar inkluderar storskalig återvinning av avgasvärme i fabriker och datacenter, självförsörjande drift av kompakta elektroniska enheter, energibesparande teknik i extremt lågtempererade miljöer och utvidgningar till andra kvantsystem och integrerbara system.
Utgångseffekten kan också ökas genom att förfina utformningen av energifilter som selektivt extraherar den ”högenergiska sidan” av det icke-termiska tillståndet. Mer generellt förväntas detta koncept vara tillämpligt på andra kvantsystem och på en rad materialsystem som inte lätt når termisk jämvikt.
Teamet har genomfört experiment baserade på övertygelsen att naturligt uppkomna ”icke-termiska tillstånd” i kvantvärlden kan uppnå hög termisk effektivitet, men att bevisa detta var svårare än vi förväntat oss.
Teamet anser att den dag närmar sig då värme som för närvarande går förlorad kommer att bli användbar igen genom kraften i kvanteffekter.
Mer information: Hikaru Yamazaki et al, Effektiv värmeenergiomvandling från en icke-termisk Tomonaga-Luttinger-vätska, Communications Physics (2025). DOI: 10.1038/s42005-025-02297-6
