L’impossibile che diventa possibile: una squadra di ricercatori ha sviluppato il primo prototipo di motore quantistico.
La meccanica quantistica rappresenta un argomento complesso, forse troppo per chi non ha mai avuto alcun contatto con la fisica. Tuttavia, le sue potenzialità sono straordinarie, quasi infinite, e questo vale anche per la realizzazione di un motore. Grazie alle leggi di questa scienza, potrebbe emergere un propulsore straordinario, tanto da poter costituire una vera pietra miliare, come suggerisce una ricerca pubblicata sulla rivista scientifica Nature.
Le unità termiche convertono l’energia in lavoro meccanico sia nel regime classico che in quello quantistico. Tuttavia, la teoria quantistica offre delle vere e proprie forme di energia non classiche, diverse dal calore, che finora non trovano impiego in un motore ciclico. L’obiettivo dei ricercatori è stato quello di realizzare sperimentalmente un dispositivo multi-corpo alimentato dalla differenza di energia tra insiemi fermionici e bosonici di particelle ultrafredde, basandosi sul principio di esclusione di Pauli. Il funzionamento del motore si basa su un gas in grado di trasformarsi da un gas di fermioni a uno di bosoni, risultando in un’efficienza che può raggiungere il 25 per cento.
Alla luce dei risultati ottenuti, gli scienziati sostengono che la statistica quantistica rappresenta una risorsa termodinamica preziosa per la produzione di lavoro.
Tuttavia, ora facciamo un passo indietro e cerchiamo di comprendere nel dettaglio perché questa intuizione potrebbe portare a una rivoluzione. Inizieremo con un’analisi approfondita dei principi che hanno ispirato questa ricerca, per poi esaminare il procedimento adottato e, infine, le possibili prospettive future.
Lo studio si concentra sul lavoro e sul calore, che rappresentano due forme essenziali di trasferimento di energia in termodinamica. Il lavoro rappresenta una variazione di energia a entropia costante (che misura il grado di equilibrio raggiunto da un sistema in un dato momento), come ad esempio una variazione nella posizione di un pistone. D’altra parte, lo scambio termico comporta un aumento di entropia. A livello microscopico, il lavoro consiste in uno spostamento dei livelli di energia e di calore, insieme a una modifica nella distribuzione di probabilità di livello, attraverso il contatto con un bagno termale, in soluzioni quantistiche costantemente guidate. Tuttavia, va notato che questa distinzione potrebbe non essere sempre valida.
Finora, i motori termici quantistici hanno convertito l’energia termica in lavoro meccanico, operando ciclicamente tra serbatoi termici con diverse temperature, come fanno i loro omologhi classici. In questi motori, i colpi di riscaldamento e raffreddamento ridistribuiscono gli stati quantistici. Tuttavia, a causa dell’esistenza di statistiche di particelle distinte, le probabilità di occupazione su numerosi corpi possono variare significativamente a seconda della temperatura. Pertanto, la modifica dei dati conduce a una nuova forma di trasferimento di energia, di natura puramente quantistica.
La differenza tra fermioni e bosoni
I fermioni e i bosoni rappresentano un mezzo per classificare tutte le particelle in due categorie. La loro distinzione deriva da una proprietà nota come spin, che è un momento angolare intrinseco. Mentre i fermioni presentano uno spin frazionario, i bosoni hanno uno spin intero. Inoltre, una distinzione chiave tra questi due tipi di particelle è rappresentata dal cosiddetto principio di esclusione di Pauli, che vale esclusivamente nel caso dei fermioni.
In base al principio quantistico, due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico contemporaneamente, il che porta i fermioni a tendere ad allontanarsi gli uni dagli altri. D’altra parte, i bosoni sono in grado di aggregarsi insieme e, se raffreddati a una temperatura sufficiente, formano un condensato di Bose-Einstein (BEC). In questo particolare stato della materia, noto come il quinto stato, i bosoni operano come un’unica entità quantistica.
Le conclusioni e i potenziali sviluppi
L’intuizione di questo approccio è potenzialmente rivoluzionaria poiché, invece di riguardare la relazione tra temperatura, pressione e volume come nei dispositivi convenzionali, si basa sulla meccanica quantistica. In questo specifico caso, i ricercatori hanno impiegato atomi di litio estremamente freddi in un approccio noto come risonanza di Feshbach. Questo permette al sistema di passare a uno stato chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC) con un volume ridotto, mentre un pistone spinge verso il basso. Quando il BEC viene trasformato in un gas fermionico, il suo volume si espande, spingendo il pistone verso l’alto.
Per valutare la fattibilità di un motore quantistico, gli autori hanno costruito un prototipo sperimentale. Secondo i dati finora raccolti, sembrano esserci le basi per ottenere un’efficienza del 25 per cento. Anche se potrebbe sembrare un numero incredibile, non è così lontano dall’efficienza media dei motori automobilistici convenzionali, che si aggira intorno al 40 per cento. In futuri prototipi, l’efficienza potrebbe essere ulteriormente incrementata.
Il coautore Thomas Busch, a capo dell’Unità Quantum Systems presso l’Okinawa Institute of Science and Technology, spiega che per trasformare i fermioni in bosoni, è necessario combinare due fermioni per formare una molecola, che agisce come un bosone. La decomposizione successiva consente di recuperare i fermioni originali. Attraverso questo processo ciclico, è possibile alimentare il motore senza l’uso del calore. Il potenziale di questa tecnologia verrà esplorato in ulteriori studi, poiché, nonostante sembri altamente efficiente sulla carta, finora è stato realizzato solo come prova concettuale.
La coautrice Keerthy Menon sottolinea che la costruzione di un motore quantistico comporta ancora numerose sfide da affrontare. Pertanto, non ci si dovrebbe attendere di vedere veicoli dotati di motori quantistici entro pochi anni. Prima di intraprendere uno sviluppo su larga scala, è necessario identificare una risposta valida a bisogni concreti.
Questo è particolarmente vero dato che il sistema richiede notevoli quantità di energia per mantenere temperature estremamente basse. In sintesi, i ricercatori hanno ancora molta strada da percorrere mentre esplorano le vie per fare progressi. D’altra parte, le possibili applicazioni di questa tecnologia sono estremamente interessanti. Se i risultati saranno soddisfacenti, potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nell’industria automobilistica e dei mezzi di trasporto in generale.
Di M. Magarini – fonte: https://www.motorisumotori.it/