La meccanica quantistica è una teoria scientifica che descrive il comportamento della materia e dell’energia a livello atomico e subatomico. Fino a oggi sembrava impossibile applicarla a un motore quantistico. Tuttavia, potrebbe essere la realtà nei prossimi anni. Infatti, uno studio pubblicato sulla rivista Nature apre una via finora inesplorata. Grazie a un maggiore livello di consapevolezza, un sogno che sembrava irraggiungibile potrebbe diventare realtà. Naturalmente, per vedere se ciò accadrà davvero, dovremo aspettare ancora per un bel po’. Ma il fatto di avere scorto una possibilità rappresenta già una grande conquista.
Prima dello studio sembrava impossibile applicare il vasto sapere dei fisici nel campo automobilistico, o, almeno, fino a questo punto. Oggi, la situazione è radicalmente cambiata, in meglio. Spetterà poi agli operatori dell’industria capire se ci siano davvero margini per applicare i principi di base alla realizzazione di un progetto concreto. Poiché non si tratta di un argomento semplice, crediamo sia necessario fare alcune premesse. Sia nel regime classico che in quello quantistico, le unità termiche convertono l’energia in lavoro meccanico.
Tuttavia, la meccanica quantistica propone delle forme di energia non convenzionali, diverse dal calore, che finora sono state utilizzate solo per scopi concettuali nella realizzazione di un veicolo. Gli autori del report hanno esaminato la materia in dettaglio al fine di stabilire una volta per tutte se ci fossero margini per procedere. Ebbene, la risposta è stata quella auspicata. Il compito che hanno portato a termine è stato quello di creare, in via sperimentale, un dispositivo multi-corpo alimentato dalla differenza di energia tra insiemi di particelle ultrafredde, sia fermioniche che bosoniche, seguendo il principio di esclusione di Pauli.
L’idea riguarda un gas in grado di trasformarsi da un insieme di fermioni a uno di bosoni. I risultati ottenuti sono stati estremamente positivi, con un aumento del 25 per cento dell’efficienza. In conclusione, gli scienziati hanno concordato che la statistica quantistica rappresenta un prezioso punto di riferimento da cui attingere nello svolgimento dell’attività lavorativa. Detto ciò, cerchiamo di informarci, sperando che le teorie proposte rimangano comprensibili anche per chi si avvicina al campo.
Motore quantistico: l’origine dello studio
L’elaborato dell’equipe di ricerca sul motore quantistico si concentra sul lavoro e sul calore: entrambe le forme hanno un ruolo essenziale nel trasferimento di energia in termodinamica. Il lavoro rappresenta una variazione di energia a entropia costante, come quello coinvolto nella posizione di un pistone. Esso stabilisce il punto di equilibrio raggiunto da un sistema in un preciso intervallo temporale. D’altra parte, il calore determina un aumento dell’entropia. Per entrare nei dettagli, il lavoro consiste in un cambiamento di energia e calore, oltre alle probabilità a livello quantistico, attraverso il contatto con un bagno termico, in formulazioni guidate in maniera distintiva.
La dicotomia è valida solo in determinate circostanze. I propulsori termici quantistici hanno finora convertito lo scambio termico in lavoro meccanico, attraverso cicli operativi tra serbatoi termici a diverse temperature, simili alle controparti classiche. In queste unità, gli stati quantistici dipendono da scambi di calore e raffreddamento. La temperatura influisce notevolmente sulle probabilità di occupazione su diversi corpi, a causa delle particelle distinte. Di conseguenza, la modifica dei dati porta a una nuova forma di trasferimento di energia, completamente di natura quantistica.
Fermioni e bosoni: le differenze
Le particelle possono essere classificate in due categorie differenti: fermioni e bosoni. A differenziarle è il cosiddetto spin, una proprietà o, per essere più precisi, un momento angolare intrinseco. Mentre i bosoni hanno uno spin intero, i fermioni ne hanno uno frazionario e sono gli unici su cui si applica il principio di esclusione di Pauli.
Come ci insegna la scienza quantistica, due fermioni non hanno modo di “condividere” lo stesso stato; di conseguenza, tendono ad allontanarsi l’uno dall’altro. D’altra parte, i bosoni sono compatti e, quando portati a temperature sufficientemente basse, danno origine al condensato di Bose-Einstein (BEC) o quinto stato, dove svolgono il proprio lavoro sotto forma di un’unica entità quantistica.
La conclusione degli studiosi, le criticità da risolvere e le sfide da affrontare
Chi si è occupato dello studio sul motore quantistico potrebbe aver fornito un contributo fondamentale allo sviluppo di un motore automobilistico. Fino ad oggi, nessuno aveva avuto la capacità di interpretare i meccanismi con la stessa metodologia di approccio. Di solito si fa riferimento a temperatura, pressione e volume, mentre la meccanica quantistica offre una chiave di lettura diversa. In tal caso, i ricercatori si sono avvalsi di atomi di litio particolarmente freddi, basandosi sulla cosiddetta risonanza di Feshbach. Ciò permette di passare allo stato di Bose-Einstein (BEC), con un volume ridotto, mentre un pistone spinge verso il basso.
Quando il BEC si trasforma in un gas fermionico, il suo volume aumenta e spinge il pistone verso l’alto. Successivamente, per valutare le reali applicazioni sul campo, gli autori hanno creato un prototipo e i primi risultati sono stati positivi. In effetti, in base alle rilevazioni effettuate, ci sono le basi per raggiungere un’efficienza del 25 per cento. Tuttavia, si tratta ancora di un inizio. Nonostante possa sembrare promettente, non è ancora paragonabile ai propulsori convenzionali delle vetture, che operano a circa il 40 per cento di efficienza. Nel futuro, i responsabili del progetto sperano di migliorare ulteriormente l’efficienza.
Per trasformare i fermioni in bosoni, spiega il coautore Thomas Busch, a capo dell’Okinawa Institute of Science and Technology dell’Unità Quantum Systems, è necessario combinare due fermioni al fine di creare una molecola il cui comportamento è simile a quello di un bosone. Successivamente, avviene la decomposizione in modo da recuperare i fermioni originali. Tramite un processo ciclico, si riesce ad alimentare il motore senza ricorrere al calore.
In ogni caso, anche se le evidenze scientifiche consentono di immaginare un motore quantistico, sono necessari ulteriori studi. Si tratta ancora di una fase preliminare, che, per quanto affascinante, non permette di cantare vittoria. Se gli esperimenti sul campo confermeranno la validità delle intuizioni, allora i protagonisti dell’industria ne saranno senz’altro interessati. Non si assiste spesso a una svolta così radicale.
La coautrice Keerthy Menon ne è ben consapevole, perciò preferisce mantenere i piedi per terra. Saranno necessari numerosi progressi intermedi prima di iniziare lo sviluppo su larga scala. Intanto, tutte le parti coinvolte si adopereranno per fornire risposte concrete. La priorità è capire come il sistema possa rimanere a temperature particolarmente basse con un consumo energetico ridotto. Tuttavia, alla luce del brillante modus operandi vagliato dagli studiosi, la situazione merita sicuramente di essere monitorata. Nei prossimi anni potrebbero arrivare importanti novità. Attendiamo fiduciosi ulteriori aggiornamenti, consapevoli che siamo solo all’inizio. L’idea di un motore quantistico è troppo allettante per essere archiviata tra le tante idee relative alla mobilità, e è facile immaginare che i primi interessati siano i protagonisti del settore.