მრეწველობა

მსოფლიოს ყველაზე მცირე ძრავა, რომელიც მუშაობს ერთ ატომზე

მსოფლიოს ყველაზე მცირე ძრავა, რომელიც მუშაობს ერთ ატომზე

დოქტორი სტუდენტმა იოჰანეს რონაგელმა სხვა ფიზიკოსებთან და ინჟინრებთან თანამშრომლობით ცოტა ხნის წინ შექმნა მსოფლიოში ყველაზე პატარა ძრავა, რომელიც მუშაობს მხოლოდ ერთი ატომიდან, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს პოტენციალი გახდეს ყველაზე ეფექტური ძრავი ოდესმე შექმნილი.

ტრადიციული თერმოდინამიკა შეიქმნა იმ ეპოქაში, როდესაც ტიპიური ძრავები იწონიდა ტონას. თუმცა, როდესაც კვანტური ეფექტები უკეთესად ხვდება, ტიპიური ძრავების მარეგულირებელი ცნობილი შეზღუდვები შეიძლება გადააჭარბოს წარმოუდგენლად მცირე ძრავებმა, სადაც შეზღუდვები აღარ მოქმედებს.

Physical Review Letters– ში გამოქვეყნებულ ნაშრომში განხილულია 2014 წელს ნანო ძრავა, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს ეფექტურობა მინიმუმ ოთხი ფაქტორით მეტი ვიდრე ჩვეულებრივი კარნოტის ლიმიტი, რომელიც მართავს ჩვეულებრივ სითბოს ძრავებს. მეცნიერები აცხადებენ, რომ "მიღწეულია ეფექტურობა მაქსიმალური სიმძლავრით 4 ფაქტორამდე, რაც მეტწილად გადააჭარბებს კარნოტს". ამასთან, ახლახან ძრავა რეალობად იქცა და დაარსდა, როგორც მსოფლიოში ყველაზე პატარა ძრავა, რომელიც შექმნილია მხოლოდ ერთი ატომის ძრავის შექმნით.

კარნოტის ლიმიტი განსაზღვრავს მაქსიმალური ეფექტურობის ლიმიტს (სამუშაო გამოყოფა გაყოფილი სითბოს გამომუშავებაზე) შიდა წვის ძრავისთვის, რომელიც ორი თერმული რეზერვუარის ტემპერატურის სხვაობით არის განპირობებული, თერმული წონასწორობის შენარჩუნების მიზნით. სითბური ძრავა იყენებს თერმულ ენერგიას (წვას), რომელიც გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოებად (მოძრაობად) და ზოგადად იქმნება დიდი რაოდენობით ნაწილაკების (მაგალითად, ნავთის, დიზელის, გაზის ან სხვა საწვავი) წვის შედეგად.

ექსპერიმენტული ერთტომიანი სითბური ძრავა იყენებს პოლუს ხაზოვან ხაფანგს (იხ. ქვემოთ მოცემული დიაგრამა), რომელიც ხაფანგში კალციუმის ერთ უარყოფითად დამუხტულ ატომს. ატომს, როდესაც ენერგია დაბალია, იზიდავს ელექტროდების დახურული ბოლო, სადაც მას შეაქვთ დიდი ელექტროსტატიკური ძალა და ლაზერი, რომელიც მოქმედებს ცხელი რეზერვუარით, ატომის დაჩქარებით.

ორი უარყოფითი ველი აგერიებს ერთმანეთს, ატომს ანიჭებს თერმულ ენერგიას და ძრავის დიდ მხარეს უბიძგებს. ამის შემდეგ ატომი გაცივდება დოპლერის გაგრილების გზით სხვა ლაზერის საშუალებით, რომელიც მოქმედებს როგორც ცივი წყალსაცავი კონუსის დიდ მხარეს, რის შედეგადაც იგი უკან აღწევს ცხელი დაბოლოებისკენ. ატომი იმეორებს ამ ციკლს, რის შედეგადაც იგი წარმოუდგენლად სწრაფად ვიბრირებს, რის შედეგადაც იგი ძრავაა და საწვავის ნაწილია (გარკვეული ლაზერის შეყვანით).

მიუხედავად იმისა, რომ ენერგია ძრავში ინახება, რონაგელი ამბობს, რომ "თუ წარმოიდგინეთ, რომ მეორე იონს გაგრილების მხარეს დააყენებთ, მას შეუძლია აითვისოს ჩვენი ძრავის მექანიკური ენერგია, ისევე როგორც ბორბლიანი [მანქანის ძრავაში]", ამრიგად ძრავის სიმძლავრის გამოყენება.

ნანო ძრავას აქვს ისეთი თვისებაც, რომელსაც აქვს დიდი ეფექტი, რომლის რონაგელი ამტკიცებს, რომ ეფექტურობა იმდენად გაზრდის, რომ მას შეუძლია გადალახოს კარნოტის კანონით განსაზღვრული შეზღუდვები - კანონი, რომელიც ძრავას მაქსიმალური ეფექტურობის დიაპაზონს მისცემს. ატომის გათბობისა და გაცივებისას, მისი ზომა ასე მცირედ იცვლება, რაც ცვლის ატომის არსებობის ალბათობას.

მას შემდეგ, რაც ატომი მჭიდროდ შემოიფარგლება ელექტროდების შიგნით, ტემპერატურის ცვლილება აიძულებს ატომს ვიბრაცია წინ და უკან მისი ზომის გაფართოებებით და შეკუმშვებით. ლაზერის სიხშირე, რომელიც ათბობს და აცივებს ატომს, ემთხვევა სიხშირეს, რომელზეც ატომი ბუნებრივად ვიბრაციას ახდენს მაქსიმალური ეფექტურობის მისაღწევად. ატომების განსხვავებული ზომა ძრავას აძლიერებს, ისევე როგორც სუპერჩამტენელი, რაც აძლევს მას შესაძლებლობას, რომ დიდი უპირატესობით გადააჭარბოს Carnot Limit- ს.

ატომის გათბობისა და გაცივებისას, მისი ზომა ასე მცირედ იცვლება, რაც ცვლის ატომის არსებობის ალბათობას. მას შემდეგ, რაც ატომი მჭიდროდ შემოიფარგლება ელექტროდების შიგნით, ტემპერატურის ცვლილება აიძულებს ატომს ვიბრაცია წინ და უკან მისი ზომის გაფართოებებით და შეკუმშვებით.

ლაზერის სიხშირე, რომელიც ათბობს და აცივებს ატომს, ემთხვევა სიხშირეს, რომელზეც ატომი ბუნებრივად ვიბრაციას ახდენს მაქსიმალური ეფექტურობის მისაღწევად. ატომების განსხვავებული ზომა ძრავას აძლიერებს, ისევე როგორც სუპერჩამტენელი, რაც აძლევს მას შესაძლებლობას, რომ დიდი უპირატესობით გადააჭარბოს Carnot Limit- ს. ძრავას შეეძლო შეენარჩუნებინა ენერგიის გამომუშავება 3,4 × 10 ^ -22 ჯოული წამში, რაც საკმაოდ შთამბეჭდავია, თუ კალციუმის ერთი ატომის მასა არის 6,3 x 10 ^ -23 გრამი, წარმოუდგენლად ეფექტური თანაფარდობა.

მიუხედავად იმისა, რომ ძრავა შთამბეჭდავია, პრეტენზიები იმის შესახებ, რომ ძრავას შეუძლია ”დაარღვიოს” ფიზიკის ნებისმიერი კანონი, უნდა განიხილოს დიდი გამოკვლევა და სკეპტიციზმი. მიუხედავად იმისა, რომ გამოწურვის მეთოდის გამოყენება ზრდის ძრავის ეფექტურობას, უნდა გაითვალისწინოს ის ძალა, რომელიც საჭიროა ეფექტის შესაქმნელად, ძალა, რომელიც მოითხოვს სამუშაო შეყვანას, რომელიც ენერგიის გარკვეულ ნაწილს ხარჯავს.

აგრეთვე იხილეთ: GE ტესტებს მსოფლიოს უზარმაზარ რეაქტიულ ძრავას

ტექნოლოგია შთამბეჭდავია, მაგრამ მხოლოდ ძრავების დიდი ზომა, რომელიც დიდ ლაბორატორიულ ადგილს მოითხოვს, ხელს შეუშლის ძრავას მალე ლაბორატორიის გარეთ დანახვაში. ალბათ ერთ მშვენიერ დღეს ამ ძრავებმა შეიძლება ხელი შეუწყოს კვანტური კომპიუტერების გაგრილებას, ენერგიის ნანობოტების ენერგიას ან შეიძლება ენერგიის წარმოუდგენლად საიმედო წყარო მოგვცეს. ამასთან, ტექნოლოგიას ჯერ კიდევ აქვს განვითარების გზები, სანამ ენერგიის წყაროს გამოყენება გახდება.

დაწერილი მავერიკ ბეიკერი


Უყურე ვიდეოს: QB water pump (იანვარი 2022).