Onderzoek werpt licht op afweging tussen geluid en vermogen in nano-warmtemotoren

Dankzij nanoschaalapparaten zo klein als menselijke cellen kunnen onderzoekers baanbrekende materiaaleigenschappen creëren, wat leidt tot kleinere, snellere en energiezuinigere elektronica. Om het potentieel van nanotechnologie volledig te ontsluiten, is het echter cruciaal om ruis aan te pakken.

Een onderzoeksteam aan de Chalmers University of Technology in Zweden heeft een belangrijke stap gezet in het ontrafelen van fundamentele beperkingen op ruis, waarmee de weg wordt vrijgemaakt voor toekomstige nano-elektronica.

Nanotechnologie ontwikkelt zich snel en trekt brede belangstelling in sectoren zoals communicatie en energieproductie. Op nanoniveau, gelijk aan een miljoenste millimeter, houden deeltjes zich aan de wetten van de kwantummechanica. Door deze eigenschappen te benutten, kunnen materialen worden ontworpen om een ​​verbeterde geleidbaarheid, magnetisme en energie-efficiëntie te vertonen.

“Tegenwoordig zijn we getuige van de tastbare impact van nanotechnologie: nanoschaalapparaten zijn ingrediënten voor snellere technologieën en nanostructuren maken materialen voor energieproductie efficiënter”, zegt Janine Splettstösser, hoogleraar toegepaste kwantumfysica aan Chalmers.

Apparaten die kleiner zijn dan de menselijke cel maken nieuwe elektronische en thermo-elektrische eigenschappen mogelijk

Om lading- en energiestromen te manipuleren tot op het niveau van één elektron, gebruiken onderzoekers zogenaamde nanoschaalapparaten, systemen die kleiner zijn dan menselijke cellen. Deze nano-elektronische systemen kunnen fungeren als “kleine motoren” die specifieke taken uitvoeren, waarbij ze gebruikmaken van kwantummechanische eigenschappen.

“Op nanoschaal kunnen apparaten geheel nieuwe en wenselijke eigenschappen hebben. Deze apparaten, die honderd- tot tienduizend keer kleiner zijn dan een menselijke cel, maken het mogelijk om zeer efficiënte energieomzettingsprocessen te ontwerpen”, zegt Ludovico Tesser, Ph.D.-student in toegepaste kwantumfysica aan de Chalmers University of Technology.

Navigeren door nano-ruis: een cruciale uitdaging

Ruis vormt echter een belangrijke hindernis bij het bevorderen van dit nanotechnologisch onderzoek. Deze verstorende ruis wordt veroorzaakt door elektrische ladingsfluctuaties en thermische effecten binnen apparaten, wat nauwkeurige en betrouwbare prestaties belemmert. Ondanks uitgebreide inspanningen moeten onderzoekers nog ontdekken in hoeverre deze ruis kan worden geëlimineerd zonder de energieomzetting te belemmeren, en ons begrip van de mechanismen ervan blijft beperkt. Maar nu is een onderzoeksteam bij Chalmers erin geslaagd een belangrijke stap in de goede richting te zetten.

In hun studie, “Buiten-evenwichtsfluctuatie-dissipatiegrenzen” gepubliceerd als suggestie van een redacteur in Fysieke beoordelingsbrievenonderzochten ze thermo-elektrische warmtemotoren op nanoschaal. Deze gespecialiseerde apparaten zijn ontworpen om restwarmte te regelen en om te zetten in elektrische energie.

“Alle elektronica zendt warmte uit en er is de laatste tijd veel moeite gedaan om te begrijpen hoe deze warmte op nanoniveau kan worden omgezet in bruikbare energie. Kleine thermo-elektrische warmtemotoren maken gebruik van kwantummechanische eigenschappen en niet-thermische effecten en kunnen, net als kleine energiecentrales, de warmte omzetten in elektrische energie in plaats van deze te laten verloren gaan,” aldus professor Splettstösser.

Balans tussen geluid en vermogen in nano-warmtemotoren

Nanoschaal thermo-elektrische warmtemotoren werken echter beter wanneer ze worden blootgesteld aan aanzienlijke temperatuurverschillen. Deze temperatuurvariaties maken het toch al uitdagende lawaai waar onderzoekers mee te maken hebben nog lastiger om te bestuderen en te begrijpen. Maar nu zijn de Chalmers-onderzoekers erin geslaagd om licht te werpen op een kritieke afweging tussen lawaai en vermogen in thermo-elektrische warmtemotoren.

“We kunnen aantonen dat er een fundamentele beperking is aan het geluid dat direct van invloed is op de prestaties van de ‘motor’. We kunnen bijvoorbeeld niet alleen aantonen dat als je wilt dat het apparaat veel vermogen produceert, je hogere geluidsniveaus moet tolereren, maar ook de exacte hoeveelheid geluid”, aldus Ludovico Tesser.

“Het verduidelijkt een afweging, namelijk hoeveel lawaai je moet verdragen om een ​​specifieke hoeveelheid vermogen uit deze nanoschaalmotoren te halen. We hopen dat deze bevindingen kunnen dienen als leidraad op het gebied van het ontwerpen van nanoschaalthermo-elektrische apparaten met hoge precisie.”