Doktorand Johannes Roßnagel hat kürzlich in Zusammenarbeit mit anderen Physikern und Ingenieuren den kleinsten Motor der Welt entwickelt, der nur aus einem Atom besteht und das Potenzial hat, der effizienteste Motor zu werden, der jemals entwickelt wurde.
Die traditionelle Thermodynamik wurde in einer Zeit entwickelt, in der typische Motoren über eine Tonne wogen. Wenn jedoch die Quanteneffekte besser verstanden werden, können die bekannten Einschränkungen für typische Motoren von unglaublich kleinen Motoren überschritten werden, bei denen die Grenzwerte nicht mehr gelten.
Ein Artikel veröffentlicht in Physical Review Letters 2014 diskutiert ein Nanomotor, dessen Wirkungsgrad um mindestens den Faktor vier höher sein könnte als der klassische Carnot-Grenzwert für herkömmliche Wärmekraftmaschinen. Die Wissenschaftler beansprucht "Der Wirkungsgrad bei einer maximalen Leistung von bis zu einem Faktor 4 wird erreicht und liegt weit über der Carnot-Grenze." Erst kürzlich wurde der Motor Realität und etablierte ihn als den kleinsten Motor der Welt, der jemals durch die Entwicklung eines Motors geschaffen wurdedas läuft von nur einem Atom ab.
Die Carnot-Grenze bestimmt die Grenze des maximalen Wirkungsgrads Arbeitsleistung geteilt durch Wärmeleistung für einen Verbrennungsmotor, der durch zwei Temperaturunterschiede zwischen zwei Wärmespeichern angetrieben wird, um das thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. A Wärmekraftmaschine verwendet Wärmeenergie Verbrennung, die in mechanische Arbeit Bewegung umgewandelt wird und im Allgemeinen durch Verbrennung einer großen Anzahl von Partikeln wie Kerosin, Diesel, Gas oder anderen brennbaren Stoffen entsteht.
Die experimentelle Einatom-Wärmekraftmaschine verwendet eine lineare Paul-Falle siehe Abbildung unten, die ein einzelnes negativ geladenes Calciumatom einfängt. Wenn das Atom wenig Energie hat, wird es vom geschlossenen Ende der Elektroden angezogen, wo es eingeführt wirdauf eine große elektrostatische Kraft und einen Laser, der als heißes Reservoir wirkt, indem er das Atom beschleunigt.
Die beiden negativen Felder stoßen sich gegenseitig ab, geben dem Atom Wärmeenergie und treiben es zur großen Seite des Motors. Das Atom wird dann abgekühlt. Doppler-Kühlung durch einen anderen Laser, der als Kältespeicher auf der großen Seite des Kegels fungiert und ihn daher zum heißen Ende zurückschießt. Das Atom wiederholt diesen Zyklus, wodurch es unglaublich schnell vibriert und zum Motor und zum Teil des Kegels wirdKraftstoff mit etwas Lasereingang.
Obwohl die Energie im Motor gespeichert ist, Roßnagel sagt "Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie ein zweites Ion an der kühleren Seite platzieren, könnte es die mechanische Energie unseres Motors absorbieren, ähnlich wie ein Schwungrad [in einem Automotor]" wodurch die Leistung des Motors genutzt wird.
T Der Nanomotor besitzt auch eine Funktion, die eine tiefgreifende Wirkung hat, eine, die argumentiert Roßnagel könnte den Wirkungsgrad so stark erhöhen, dass die derzeit durch das Carnotsche Gesetz definierten Einschränkungen überwunden werden könnten - das Gesetz, das einem Motor seinen maximalen Wirkungsgradbereich verleihen soll. Wenn das Atom erwärmt und gekühlt wird, ändert sich seine Größe geringfügig, was sich ändertdie Wahrscheinlichkeit, wo das Atom existiert.
Da das Atom eng in den Elektroden eingeschlossen ist, zwingt die Temperaturänderung das Atom dazu, mit den Ausdehnungen und Kontraktionen seiner Größe hin und her zu schwingen. Die Frequenz des Lasers, der das Atom erwärmt und abkühlt, ist an die Frequenz angepasst, mit der das Atom arbeitetDas Atom vibriert auf natürliche Weise, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Die unterschiedlich großen Atome geben dem Motor einen Schub, ähnlich wie ein Kompressor, der es ihm ermöglicht, die Carnot-Grenze bei weitem zu überschreiten.
Wenn das Atom erwärmt und abgekühlt wird, ändert sich seine Größe geringfügig, was die Wahrscheinlichkeit ändert, wo das Atom existiert. Da das Atom eng in den Elektroden eingeschlossen ist, zwingt die Temperaturänderung das Atom, mit den Ausdehnungen hin und her zu schwingenund Kontraktionen in seiner Größe.
T Die Frequenz des Lasers, der das Atom erwärmt und kühlt, wird an die Frequenz angepasst, mit der das Atom auf natürliche Weise vibriert, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Atome unterschiedlicher Größe geben dem Motor einen Schub, ähnlich wie ein Kompressor, der ihm die Fähigkeit dazu gibtdas Carnot-Limit deutlich übertreffen. Der Motor konnte eine Leistung von aufrechterhalten 3,4 × 10 ^ -22 Joule pro Sekunde was angesichts der Masse eines Calciumatoms von 6,3 x 10 ^ -23 Gramm ziemlich beeindruckend ist, ein unglaublich effizientes Verhältnis.
Obwohl der Motor beeindruckend ist, sollten die Behauptungen, dass der Motor gegen physikalische Gesetze verstoßen kann, einer eingehenden Prüfung und Skepsis unterzogen werden. Obwohl die Verwendung der Quetschmethode den Wirkungsgrad des Motors erhöht, muss die erforderliche Kraft berücksichtigt werdenum den Effekt zu erzeugen, eine Kraft, die einen Arbeitseinsatz erfordert, der einen Teil der Energie verbraucht.
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Die Technologie ist beeindruckend, aber die schiere Größe der Motoren allein, die viel Laborraum benötigt, verhindert, dass der Motor bald außerhalb des Labors gesehen werden kann. Vielleicht könnten diese Motoren eines Tages dazu beitragen, Quantencomputer abzukühlen und Nanobots anzutreibenoder geben Sie uns vielleicht eine unglaublich zuverlässige Energiequelle. Die Technologie hat jedoch noch keine Entwicklungsmöglichkeiten, bevor sie als Energiequelle nutzbar wird.
Geschrieben von Maverick Baker