Motor quântico supera eficiência de motor a combustão

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/09/2023

O motor quântico comprime um gás de partículas que são bósons e descomprime um gás de partículas que são férmions.
[Imagem: Mirijam Neve]

Motores quânticos

Uma equipe da Alemanha, Finlândia e Japão criou um motor que usa os princípios da mecânica quântica para criar energia, em vez da forma usual de queimar combustível.

Em um motor tradicional de carro, uma mistura de combustível e ar recebe a fagulha de uma vela e incendeia-se dentro de uma câmara. A explosão resultante aquece o gás na câmara, que por sua vez empurra um pistão para dentro e para fora, produzindo trabalho que finalmente irá girar as rodas do carro.

No seu motor quântico, Jennifer Koch e seus colegas substituíram o uso do calor por uma mudança na natureza quântica das partículas do gás.

Para compreender como esta mudança pode alimentar o motor, precisamos lembrar que todas as partículas na natureza podem ser classificadas como bósons (fótons, glúons, mésons etc. ) ou férmions (elétrons, prótons, quarks e neutrinos), com base nas suas características quânticas. Em temperaturas muito baixas, onde os efeitos quânticos se tornam fortes e consistentes, os bósons têm um estado de energia mais baixo do que os férmions, e essa diferença de energia pode ser usada para alimentar um motor.

Em vez de aquecer e resfriar um gás ciclicamente, como se faz no motor a combustão de um carro, o motor quântico funciona transformando bósons em férmions e vice-versa.

"Para transformar férmions em bósons, você pode pegar dois férmions e combiná-los em uma molécula. Esta nova molécula é um bóson. Quebrá-la nos permite recuperar os férmions novamente. Fazendo isso ciclicamente, podemos alimentar o motor sem usar calor", explicou o professor Thomas Busch, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão.

Tecnicamente, esse qmotor (motor quântico) de quatro tempos é conhecido como motor de Pauli.
[Imagem: Jennifer Koch et al. - 10.1038/s41586-023-06469-8]

Motorizando a revolução quântica

Embora este tipo de motor funcione apenas no regime quântico, a equipe descobriu que sua eficiência é bastante elevada, podendo chegar a 25% na atual configuração experimental, o que é um rendimento maior do que o da maioria dos motores a combustão.

Mas isso significa que em breve veremos a mecânica quântica alimentando os motores dos nossos carros? "Embora estes sistemas possam ser altamente eficientes, apenas fizemos uma prova de conceito em conjunto com os nossos colaboradores experimentais," explicou Keerthy Menon, membro da equipe. "Ainda existem muitos desafios para a construção de um motor quântico útil."

Embora ofereça mais uma ferramenta para o campo das tecnologias quânticas, o grande desafio para tirar proveito prático deste motor quântico está no frio: Ele só funciona em temperaturas criogênicas, perto do zero absoluto. Assim, uma quantidade substancial de energia é gasta para resfriar o motor a estas baixas temperaturas, a fim de proteger o estado quântico sensível, o que torna o motor energeticamente deficitário para aplicações a temperatura ambiente.

Mas a equipe pretende continuar melhorando o motor quântico, lidando com questões teóricas fundamentais sobre a operação do sistema, otimizando seu desempenho e investigando sua potencial aplicabilidade em outros dispositivos comumente usados, como baterias e sensores.

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