Kvantemekanikken sætter grænser for termoelektronik

Kvantemekanikken sætter meget overraskende en forholdsvis høj grænse for, hvor små termoelektriske enheder det er muligt at fremstille.

Det viser en ny undersøgelse, foretaget af Robert Whitney fra Université de Grenoble og det franske nationale forskningscenter CNRS, som er offentliggjort i Physical Review Letters.

»Der er tale om en fundamental opdagelse, som kan få betydning for praktiske enheder,« forklarer David Sanchez fra Universitat de les Illes Balears i Palma de Mallorca til det amerikanske internettidsskrift Physics.

Først og fremmest viser Whitneys undersøgelse dog, at kvantemekanik kan give ny viden om et klassisk emne som termodynamik, som mange ellers har ment var godt forstået, og det giver ny indsigt i grænseområdet mellem kvanteverdenen og den makroskopiske verden.


Rumfartøjer som Mars-roveren Curiosity – her på et selvportræt sat sammen af 66 enkeltbilleder – er forsynet med en termoelektrisk generator. Kvantemeka­nikken sætter grænser for, hvor små sådanne enheder kan laves, hvis de skal have høj effektivitet, viser ny forskning. (Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS)

Små kompakte enheder

I en termoelektrisk generator skabes en elektrisk strøm ved at elektroner diffunderer fra et varmt område til et koldt område.

Termoelektriske enheder har potentiale til at blive en nyttig energikilde eksempelvis i forbindelse med bilers varme udstødningsgasser.

Rumfartøjer som Mars-roveren Curiosity udnytter termoelektriske enheder, der giver en effekt på omkring 100 watt ved at omdanne varmen, der fremkommer ved radio­aktivt henfald af plutonium-238 til elektricitet.

Ikke mindst inden for rumteknologi er der et ønske om at lave små, kompakte enheder, men Robert Whitneys analyser viser, at der en forbavsende høj grænse for, hvor små enheder man kan lave, uden at effektiviteten falder.

Den britiske fysiker John Pendry, der i dag er mest kendt som teore­tikeren bag de såkaldte ‘usynlighedskapper’, viste allerede i 1983, at der var en grænse for, hvor smal en åbning kunne være, før elektronens bølgenatur ville forstyrre dens evne til at passere gennem åbningen.

Whitney forklarer, at det svarer lidt til trafikken på en vej, da der opstår en kø, når kanalen bliver smal i forhold til den effektive størrelse af elektronen, der er bestemt af dens kvantemekaniske bølgelængde.

Beregningen viste, at for en generator på 100 watt skal kanalen have et tværsnit på 0,4 kvadratcentimeter, hvis det er varmeforskellen på en dieselmotors udstødningsgas på ca. 700 kelvin og en omgivelsestemperatur på ca. 300 kelvin, der skal drive processen.

»Det er enormt sammenlignet med, at en glødelampe med et forbrug på 100 watt har en størrelse, der svarer til et menneskeligt hår,« forklarer Robert Whitney.

Whitney kan ikke give en god intuitiv forklaring på, hvorfor den mindste størrelse er så stor.

Kan man nøjes med en generator, der giver en effekt på 1 watt, bliver tværsnittet også 100 gange mindre, så skal man bygge termoelektriske enheder ind i nanomaskiner, skal maskinernes effektforbrug altså begrænses.

Posted in computer.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>