¿Qué es un motor cuántico y si superará a los motores eléctricos y de combustión?

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Barcelona, 16 de noviembre del 2023.- La revista Auto Bild España ha publicado un extenso reportaje con las revolucionarias características de un motor cuántico y la diferencia de prestaciones con otras opciones tradicionales:

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia la dinámica de las partículas elementales, como los electrones y los fotones. Estas partículas pueden existir en diferentes estados, llamados superposiciones, que son combinaciones simultáneas de dos o más posibilidades.

Los motores térmicos utilizan la gasolina o diésel, es decir, combustibles fósiles, para generar energía y poder funcionar. Pero los motores cuánticos son unos dispositivos microscópicos que utilizan los principios de la mecánica cuántica para generar esa energía.

Un equipo de investigadores del Instituto Okinawa de Ciencia y Tecnología (OIST), en Japón, liderado por el profesor Thomas Busch, ha demostrado teóricamente que es posible construir un motor cuántico que funcione con un sólo átomo.

Según recoge el diario Levante, el motor consiste en un átomo atrapado en una cavidad óptica, que es un espacio entre dos espejos que reflejan la luz. Este átomo puede estar en una superposición de dos estados: excitado y no excitado. En el primer caso, emite un fotón, que es una partícula de luz; cuando está no excitado, no emite nada.

El motor cuántico funciona a través de cuatro pasos: 

  • En el primero, se aplica un láser al átomo para ponerlo en una superposición de excitado y no excitado. 
  • En el segundo, se abre uno de los espejos para permitir que el fotón salga de la cavidad. Si el átomo estaba excitado, el fotón sale y se pierde la información sobre el estado del átomo. Si el átomo estaba no excitado, no ocurre nada.
  • En el tercer paso, se cierra el espejo y se aplica otro láser al átomo para invertir su estado; si el átomo estaba excitado, pasa a estar no excitado. Si el átomo estaba no excitado, pasa a estar excitado.
  • Finalmente, en el cuarto paso se abre el otro espejo para permitir que otro fotón salga de la cavidad. Si el átomo estaba excitado, el fotón sale y se recupera la información sobre el estado del átomo; si el átomo estaba no excitado, no pasa nada. Como resultado, el motor extrae energía del proceso de medición cuántica.

Cómo funciona

De la misma manera que un motor de combustión produce gases que empujan un pistón dentro de un cilindro, ese pistón va conectado a una biela que hace girar el cigüeñal y éste transmite la energía a las ruedas, en el motor cuántico también hay un pistón o un cilindro, pero son diferentes.

En este caso, utiliza un átomo de helio-4 como pistón y el cilindro es la cavidad óptica en la que está atrapado. El átomo helio-4 aprovecha su comportamiento bosónico para extraer energía de las mediciones cuánticas. El combustible es la luz láser que excita al átomo.

Los fotones que salen de la cavidad actúan como los gases en un motor de combustión. Un dispositivo óptico que convierte la energía luminosa en mecánica hace de biela y otro dispositivo óptico que transmite la energía mecánica a una carga extrema sustituye al cigüeñal. 

En fase experimental

Por el momento, el motor cuántico que ha desarrollado el instituto japonés es sólo un experimento preliminar, nos da una pista de lo que podríamos ver en el futuro en la industria del automóvil y en otras aplicaciones, como cargar baterías cuánticas o alimentar computadoras y sensores cuánticos.

Ahora el principal problema está en que el calor puede destruir los efectos cuánticos si la temperatura sube demasiado, por lo que los científicos que han participado en el proyecto deben mantener su sistema lo más frío posible.

No obstante, el motor cuántico consigue un alto nivel de eficiencia, de hasta el 25%, aunque el equipo asegura que podrían alcanzar el 50% con mejoras adicionales. 

Lo que parece seguro es que el motor cuántico ofrece un mayor rendimientoque los motores de combustión. La diferencia entre uno y otro radica en que el primero dependen del colapso y la información cuántica para generar energía y los segundos dependen del calor y la entropía para producir energía. 

Además, los motores térmicos están limitados por la eficiencia de Carnot, la máxima eficiencia teórica que pueden obtener cuando están funcionando entre dos temperaturas. Esta limitación no afecta a los motores cuánticos, ya que no usan calor.

Información de: Auto Bild España

Fotografía: Vibes OK