La meccanica quantistica non è certo un argomento per tutti, forse troppo complesso per chi non ha familiarità con la fisica. Le potenzialità degli studi e delle applicazioni in materia sono, però, utili anche nella realizzazione di un motore. L’applicazione in questo campo potrebbe dare vita a un propulsore “straordinario”, come suggerisce una ricerca pubblicata su Nature.
Di quali forze stiamo parlando? Le unità termiche convertono l’energia in lavoro meccanico sia nel regime classico che in quello quantistico. La teoria quantistica mette a disposizione delle forme di energia “non classiche”, diverse dal calore. L’obiettivo dei ricercatori è la creazione sperimentale di un dispositivo alimentato dalla differenza di energia tra insiemi fermionici e bosonici di particelle ultrafredde, basandosi sul principio di esclusione di Pauli. Il motore funzionerebbe, dunque, grazie alla capacità di un gas di trasformarsi da uno di fermioni a uno di bosoni, con un’efficienza che può raggiungere il 25 per cento.
Perché questa l’intuizione potrebbe portare a una rivoluzione? Partiamo dai principi che hanno ispirato la ricerca, per comprendere successivamente il procedimento adottato.
Lavoro e calore rappresentano due forme essenziali di trasferimento di energia in termodinamica. Il lavoro rappresenta una variazione di energia a entropia costante, come la variazione della posizione di un pistone. Il lavoro consiste in uno spostamento dei livelli di energia e di calore. I motori termici quantistici convertono l’energia termica in lavoro meccanico, operando ciclicamente tra serbatoi termici con diverse temperature. A causa dell’esistenza di statistiche di particelle distinte, le probabilità di occupazione su numerosi corpi possono variare significativamente a seconda della temperatura. La nuova forma di trasferimento di energia risulterebbe di natura puramente quantistica.
I fermioni e i bosoni rappresentano un mezzo per classificare tutte le particelle in due categorie. La loro distinzione deriva dallo “spin”, un momento angolare. Mentre i fermioni presentano uno spin frazionario, i bosoni hanno uno spin intero. Una distinzione chiave tra questi due tipi di particelle è rappresentata dal cosiddetto principio di esclusione di Pauli. In base al principio, due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico nello stesso momento, e per questo fermioni si allontanano gli uni dagli altri. I bosoni sono in grado di aggregarsi insieme e, raffreddati, formano un condensato di Bose-Einstein.
La ricerca potenzialmente rivoluzionaria, non guarda alla relazione tra temperatura, pressione e volume (come accade convenzionalmente), ma si basa sulla meccanica quantistica. I ricercatori hanno impiegato atomi di litio estremamente freddi nella “risonanza di Feshbach”. Si passa, dunque, al condensato di Bose-Einstein 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 capire la forza di un motore quantistico, gli studiosi hanno costruito un prototipo sperimentale. Si potrebbe ottenere un’efficienza del 25 per cento, stando ai dati raccolti dalla ricerca. L’efficienza media dei motori convenzionali, invece, si aggira intorno al 40 per cento. Ma nei futuri prototipi di motori quantistici l’efficienza potrebbe essere incrementata.
Il coautore dello studio, Thomas Busch, a capo dell’Unità Quantum Systems presso l’Okinawa Institute of Science and Technology, spiega che i due fermioni uniti a formare una molecola, agiscono come un bosone. La decomposizione permette di recuperare i fermioni originali. Il processo ciclico riesce ad alimentare il motore senza l’uso del calore.
Si attenderanno anni per vedere un motore davvero pronto per un investimento su larga scala. Il sistema, d’altronde, richiede notevoli quantità di energia per mantenere le necessarie temperature bassissime. I ricercatori hanno ancora molta strada da percorrere sulla via del progresso. Evitare di sfruttare il calore per il funzionamento di un motore potrebbe rappresentare il volano per una nuova rivoluzione industriale.