Endelig lærer varmen at makke ret
Forestil dig noget mærkeligt.
Tænk på en lampe, du tænder. Men i stedet for at lyset spredes derhen, hvor du vil have det, ryger det i alle retninger på én gang. Du kan ikke pege. Du kan ikke styre det. Det er ligegyldigt hvad du gør — lyset ender alligevel, hvor det vil.
Fremmedartet, ik? Men det er faktisk sådan, vi har skullet arbejde med varme. Indtil nu.
Et irriterende bundt
I årevis har forskere været låst fast til noget, der hedder reciprocitet. Kort fortalt betyder det, at hvis et materiale optager varme fra én retning, så udsender det også varme på præcis samme måde. De to egenskaber hænger sammen som et fastlåst makkerpar. Kan du lide det? Nej. Kan du ændre det? Nej.
Det har været et kæmpe irritationsmoment for alle, der bygger termiske systemer, infrarøde sensorer eller energiomsætningsapparater. Du kunne simpelthen ikke bestemme uafhængigt af hinanden, hvordan varmen kom ind i et materiale, og hvordan den slap ud igen. De hang altid sammen.
Irriterende.
Den smarte kombination
Forskere fra Osaka Metropolitan University besluttede sig for at skille dem ad. Holdet, ledet af professor Koichi Okamoto og Dr. Shunsuke Murai, fandt en løsning der er ret genial.
De kombinerede to typer materialer, de fleste af os aldrig har hørt om. Det første er et magneto-optisk materiale. Det ændrer, hvordan det reagerer med lys — og dermed varme — når du udsætter det for et magnetfelt. Tænk på det som materialeverdenens humørring. Bare faktisk nyttigt.
Det andet materiale kaldes GST. Det er et faseforandringsmateriale. Du kender måske faseforandringsmaterialer fra bygninger, der holder sig kølige om sommeren, eller fra de køelegel poser, du propper i madpakken. De kan skifte mellem forskellige fysiske tilstande, og det skift ændrer deres egenskaber.
Slår du de to materialer sammen? Får du en dims, der kan styre, hvilken retning varmen stråler. Du kan tænde og slukke for den. Og det virkelig interessante: den husker sin indstilling, selv efter du har slukket for strømmen.
Hvorfor det betyder noget
Lad mig sætte det i perspektiv.
Tidligere forsøg på lignende teknologi havde nogle irriterende begrænsninger. De krævede typisk, at varmen eller lyset ramte materialet i meget stejle vinkler — næsten sidelæns. Det gjorde dem ineffektive, fordi langt mindre energi blev optaget og genudsendt.
Den nye opfindelse virker ved normal indfaldsvinkel. Det lyder kedeligt, men det er faktisk kæmpe stort for praktiske anvendelser. Og det vigtigste: de gamle systemer hade upålidelig til- og frakobling og mistede alt gemt information, så snart strømmen forsvandt. Det svarer til en huskeliste, der sletter sig selv, hver gang du lukker appen.
Dette nye materiale opfører sig mere som rigtig computerhukommelse. Indstil det, gå din vej, og når du kommer tilbage, holder det stadig på informationen. Forskerne sammenlignede det direkte med, hvordan data lagres på en computerchip — bare med termisk energi i stedet for elektroner.
Hvad kan vi bruge det til?
Dr. Murai sagde, at de fik "varmestråling til at opføre sig smartere." Jeg synes, det er en underdrivelse. Det åbner for nogle genuint spændende muligheder.
Klogere infrarøde sensorer kunne se ting mere præcist ved at kontrollere præcis, hvordan de udsender og opfanger termiske signaler. Mere effektive energisystemer kunne potentielt høste spildvarme og sende den derhen, hvor den faktisk er brugbar, i stedet for bare at lade den forsvinde. Og fotonisk hukommelsesteknologi kunne lagre information ved hjælp af lys og varme i stedet for elektriske ladninger — hvilket kunne være en helt anden tilgang til fremtidens computere.
Professor Okamoto nævnte, at deres ultimative mål er apparater, der styrer varme med samme præcision som elektroniske kredsløb styrer elektricitet. Det er en smuk analogi. Vi snakker i bund og grund om at skabe varmekredsløb — baner der kan programmeres, skiftes og lagres, præcis som de elektroniske komponenter i din telefon eller bærbare computer.
Bundlinjen
Vi kommer nok ikke til at se denne teknologi i forbrugerprodukter i morgen. Det er stadig tidlig forskning, og at omsætte laboratorieforsøg til rigtige apparater tager tid og masser af teknisk arbejde.
Men det grundlæggende gennembrud er betydeligt. For første gang har forskere vist, at varme ikke altid behøver at være kaotisk og ukontrollabel. Med de rigtige materialer og den rigtige tilgang kan vi lære termisk energi at følge regler.
Og ærligt talt? Det synes jeg er smukt. Ideen om, at vi snart kan programmere varme på samme måde som vi programmerer computere, føles som noget fra science fiction. Men her står vi og ser det blive virkeligt i et laboratorium i Japan.
Fremtiden for termisk styring lige pludselig blev meget mere interessant.