Ngành công nghiệp

Công cụ nhỏ nhất thế giới chạy trên một nguyên tử

Công cụ nhỏ nhất thế giới chạy trên một nguyên tử

Bằng tiến sĩ. sinh viên Johannes Roßnagel hợp tác với các nhà vật lý và kỹ sư khác gần đây đã tạo ra động cơ nhỏ nhất thế giới chỉ chạy bằng một nguyên tử có thể có tiềm năng trở thành động cơ hiệu quả nhất từng được tạo ra.

Nhiệt động lực học truyền thống được phát triển trong thời đại mà các động cơ điển hình nặng hơn một tấn. Tuy nhiên, khi các hiệu ứng lượng tử được hiểu rõ hơn, các giới hạn nổi tiếng đối với các động cơ điển hình có thể bị vượt quá bởi các động cơ cực nhỏ, nơi các giới hạn không còn áp dụng nữa.

Một bài báo được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters đã thảo luận vào năm 2014 về một động cơ nano có thể có hiệu suất cao hơn ít nhất là 4 lần so với giới hạn Carnot cổ điển áp dụng cho động cơ nhiệt thông thường. Các nhà khoa học tuyên bố "đạt được hiệu suất ở công suất tối đa lên đến hệ số 4, phần lớn vượt quá giới hạn Carnot". Tuy nhiên, gần đây động cơ này đã trở thành hiện thực, trở thành động cơ nhỏ nhất thế giới từng được tạo ra bằng cách tạo ra một động cơ chạy chỉ bằng một nguyên tử.

Giới hạn Carnot xác định giới hạn của hiệu suất tối đa (sản lượng công việc chia cho nhiệt lượng) đối với động cơ đốt trong do hai chênh lệch nhiệt độ giữa hai bể chứa nhiệt được thiết kế để duy trì cân bằng nhiệt. Động cơ nhiệt sử dụng năng lượng nhiệt (đốt cháy) được chuyển thành công cơ học (chuyển động) và thường được tạo ra bằng cách đốt cháy một số lượng lớn các phần tử (như dầu hỏa, diesel, khí đốt hoặc các chất cháy khác).

Động cơ nhiệt đơn nguyên tử thử nghiệm sử dụng bẫy tuyến tính Paul (xem sơ đồ bên dưới) để bẫy một nguyên tử canxi mang điện tích âm. Nguyên tử, khi năng lượng thấp, bị hút vào đầu đóng của các điện cực, nơi nó được đưa vào một lực tĩnh điện lớn và một tia laze hoạt động như một bình chứa nóng bằng cách gia tốc nguyên tử.

Hai điện trường âm đẩy nhau, tạo ra nhiệt năng cho nguyên tử và đẩy nó về phía lớn của động cơ. Sau đó, nguyên tử được làm mát thông qua làm mát Doppler bởi một tia laser khác hoạt động như một bể chứa lạnh ở mặt lớn của hình nón, do đó làm nó bắn ngược trở lại đầu nóng. Nguyên tử lặp lại chu kỳ này khiến nó rung động cực nhanh, biến nó thành động cơ và một phần của nhiên liệu (với một số đầu vào laze).

Mặc dù năng lượng được lưu trữ trong động cơ, Roßnagel nói, "nếu bạn tưởng tượng rằng bạn đặt một ion thứ hai bên cạnh bộ làm mát, nó có thể hấp thụ năng lượng cơ học của động cơ của chúng ta, giống như một bánh đà [trong động cơ ô tô]," do đó khai thác sức mạnh của động cơ.

Động cơ nano cũng sở hữu một tính năng có ảnh hưởng sâu sắc, một tính năng mà Roßnagel cho rằng có thể tăng hiệu suất lên rất nhiều, nó có thể khắc phục những hạn chế hiện tại được xác định bởi định luật Carnot - định luật được cho là cung cấp cho động cơ phạm vi hiệu suất tối đa. Khi nguyên tử được làm nóng và nguội đi, kích thước của nó sẽ thay đổi đôi chút, điều này làm thay đổi xác suất nơi nguyên tử tồn tại.

Vì nguyên tử bị giới hạn chặt chẽ trong các điện cực, sự thay đổi nhiệt độ buộc nguyên tử dao động qua lại với sự giãn nở và co lại về kích thước của nó. Tần số của tia laser làm nóng và làm lạnh nguyên tử phù hợp với tần số mà nguyên tử dao động tự nhiên để đạt được hiệu suất tối đa. Các nguyên tử có kích thước khác nhau mang lại cho động cơ sức mạnh, giống như một bộ siêu nạp giúp nó có khả năng vượt qua Giới hạn Carnot một cách lớn.

Khi nguyên tử được làm nóng và nguội đi, kích thước của nó sẽ thay đổi đôi chút, điều này làm thay đổi xác suất nơi nguyên tử tồn tại. Vì nguyên tử bị giới hạn chặt chẽ trong các điện cực, sự thay đổi nhiệt độ buộc nguyên tử phải dao động qua lại với sự giãn nở và co lại về kích thước của nó.

Tần số của tia laser làm nóng và làm lạnh nguyên tử phù hợp với tần số mà nguyên tử dao động tự nhiên để đạt được hiệu suất tối đa. Các nguyên tử có kích thước khác nhau mang lại cho động cơ sức mạnh, giống như một bộ siêu nạp giúp nó có khả năng vượt qua Giới hạn Carnot một cách lớn. Động cơ có thể duy trì sản lượng điện 3,4 × 10 ^ -22 jun mỗi giây, điều này khá ấn tượng với khối lượng của một nguyên tử canxi là 6,3 x 10 ^ -23 gam, một tỷ lệ cực kỳ hiệu quả.

Mặc dù động cơ rất ấn tượng, nhưng những tuyên bố rằng động cơ có thể "phá vỡ" bất kỳ định luật vật lý nào sẽ nhận được sự giám sát và hoài nghi nặng nề. Mặc dù việc sử dụng phương pháp ép làm tăng hiệu suất của động cơ, người ta phải tính đến lực cần thiết để tạo ra tác dụng, một lực yêu cầu đầu vào làm việc sử dụng một phần năng lượng.

CŨNG XEM: ĐỘNG CƠ JET LỚN NHẤT THẾ GIỚI CỦA GE TESTS

Công nghệ này rất ấn tượng, nhưng chỉ riêng kích thước tuyệt đối của các động cơ vốn đòi hỏi một lượng lớn không gian trong phòng thí nghiệm sẽ cản trở động cơ sớm được nhìn thấy bên ngoài phòng thí nghiệm. Có lẽ một ngày nào đó, những động cơ này có thể giúp hạ nhiệt máy tính lượng tử, cung cấp năng lượng cho các nanobot hoặc có thể cung cấp cho chúng ta một nguồn năng lượng vô cùng đáng tin cậy. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa có cách phát triển trước khi nó trở thành nguồn năng lượng được sử dụng.

Do Maverick Baker viết kịch bản


Xem video: 10 robot lớn nhất từng được tạo ra trên trái đất (Tháng Sáu 2021).