Физики работают над прототипом теплового двигателя на основе единственного иона

18-02-2014: UEFIMA.RU:  Немецкие физики (Университет им. Иоганна Гутенберга, Университет Эрлангена-Нюрнберга) работают над созданием теплового двигателя на основе одного единственного иона, эффективность которого должна превысить лимит Карно для двигателей внутреннего сгорания. Ученые Университета им. Иоганна Гутенберга (Майнц, Германия) и Университета Эрлангена-Нюрнберга работают над созданием теплового двигателя, состоящего всего из одного иона. Такой тепловой двигатель наномасштабов может оказаться намного более эффективным, чем, к примеру, автомобильный двигатель или электростанция, работающая на угле. Обычный тепловой двигатель превращает тепло в пригодную для использования механическую энергию. Эффективность его работы составляет всего 25%. Предложенный учеными тепловой нанодвигатель, состоящий из одного единственного иона кальция должен работать намного более продуктивно. Главная цель исследования заключается в прояснении принципов термодинамики применительно к минимальным масштабам. Опытный прототип такого двигателя в данное время конструируется учеными Университета им. Иоганна Гутенберга.

Как пишут исследователи в статье, опубликованной недавно журналом «Записки Физического Обзора» (Physical Review Letters), эффективность тепловых двигателей, питающихся от термических источников, определяется вторым законом термодинамики, одной из наиболее фундаментальных концепций физики.

В 1824 году французский физик Николя Карно вычислили максимальный лимит эффективности таких двигателей, который известен сейчас под названием «лимита Карно». В случае с новым двигателем ученым удалось теоретически преодолеть этот классический лимит при помощи манипуляций с термостатами и неравновесными состояниями.

Вычисления и симуляции, проведенные почти год назад, впервые показали, что термодинамический поток двигателя внутреннего сгорания может быть воспроизведен с использованием единичных ионов. Суть идеи заключалась в применении иона кальция (40Ca), диаметр которого в миллион раз меньше диаметра человеческого волоска.

Иоганн Робнагель (отделение Квантовой, Атомной и Нейтронной Физики) говорит, что единичный ион может вести себя подобно поршню, представляя, таким образом, весь двигатель. Индивидуальные ионы уже сейчас могут не только улавливаться «ловушкой Пауля», но и менять свой термический профиль, если для этого использовать лазерные лучи и электрические поля. Кроме всего прочего, они поддаются сжатию.

Это значит, что ученые могут манипулировать распределением энергетических импульсов для достижения оптимальной эффективности. В данном случае превышение лимита Карно не нарушает положений второго закона термодинамики, демонстрируя, что использование специально приготовленных нетермальных источников тепла позволяет и далее повышать эффективность двигателя.

В своей публикации физики приводят актуальные расчеты лимита Карно для своего двигателя. Поскольку механическая вместимость устройства с одним ионом находится на очень низком уровне, его, вероятно, можно будет использовать только для нагревания и охлаждения наносистем.

Главная цель ученых на данном этапе заключается в проведении первых экспериментов с тепловым двигателем на единственном ионе, а также воссоздание его прототипа в лабораторных условиях.

.