Чем квантовая механика способна помочь холодильнику Эйнштейна?

Холодильник — хоть квантовый, хоть классический — в общем и целом отводит тепло от охлаждаемого объекта сначала в какую-то рабочую ёмкость, а затем в окружающую среду. Казалось бы, что тут можно поправить квантовой механикой?

Стандартный холодильник использует внешний источник энергии, а в случае абсорбционного холодильника по типу эйнштейновского — дополнительный внешний источник тепла. В отличие от обычных, последнему почти не нужна электроэнергия (нет компрессора), и, так как он не имеет движущихся частей, «эйнштейновец» почти не шумит.

Всё три предложенные модели квантового абсорбционного холодильника состоят из трёх объемов — горячего, холодного и рабочего. (Здесь и ниже иллюстрации Correa, et al.)

Увы, холодильник, созданный физиками Эйнштейном и Силардом, до конвейера не добрался. Можно долго разливаться соловьём о причинах, но не мы не будем. Просто констатируем: без инженерной доводки вообще мало что «идёт в серию», а тратить на это деньги было некому, да и основные интересы изобретателей лежали несколько в иной плоскости. А кроме них, эти холодильники никого особенно не интересовали: даже «Электролюкс» купил патент на них в 1930-х скорее на всякий случай. В итоге без доводки они не слишком хорошо охлаждали, если вес и размеры установки были небольшими, а при равных охладительных возможностях были в два–три раза крупнее современных устройств.

Учёные во главе с Луисом Корреа (Luis A. Correa) из Университета Ла Лагуна (Испания) взялись определить, каковы лимиты эффективности подобной схемы и нельзя ли поднять её практическую производительность. Чтобы не возиться со слишком простой задачей, заодно они попробовали узнать, можно ли использовать квантовомеханические принципы для повышения эффективности таких устройств.

В частности, им удалось выяснить, что если рабочий резервуар находится в сжатом состоянии — одном из чистых (когерентных) состояний квантовых систем, — то в системе возникают неклассические флуктуации, и тогда квантовый вариант холодильника Эйнштейна по эффективности может превосходить классический термодинамический лимит для подобного рода устройств. Учёные называют такой тип его работы «сверхэффективным» и утверждают, что для его достижения достаточно привести в сжатое состояние только источник тепла.

По их словам, применение сжатого состояния к рабочему объёму холодильника ведёт к значительному росту охлаждающих возможностей такой установки, и в принципе ценой умеренного увеличения потребления энергии можно добиться ситуации, когда температура внешнего источника тепла в среднем не увеличивается, но в термодинамическом описании работы холодильника (за счёт флуктуаций) она будет казаться растущей.

Оригинальный холодильник Эйнштейна — Силарда.

На первый взгляд, исследование не может иметь быстрого практического применения: те «квантовые холодильники», которые учёные собираются испытать экспериментально, поначалу будут делаться из алмазов, что выглядит не слишком практичным. Тем не менее сам вывод о том, что эффективность квантовых устройств на деле может превышать показатели классических приборов, довольно любопытен, и в ряде опытных установок квантовые холодильники вполне могут представлять практический интерес уже сегодня. В перспективе же испанцы предполагают производить эти не требующие сетевого энергопитания аппараты как минимум для использования в районах, лишённых стабильного доступа к электричеству.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Scientific Reports, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Phys.Org.