Тепловые двигатели являются одним из самых распространенных типов двигателей в настоящее время. Эти двигатели вращают турбины генераторов тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания заставляют двигаться наши автомобили, турбореактивные двигатели позволяют самолетам летать в небе, а ракетные двигатели поднимают космические аппараты в открытое космическое пространство. В большинстве своем тепловые двигатели, за редкими исключениями, имеют большие габариты и вес, который может измеряться сотнями, тысячами и десятками тысяч килограмм. И в течение каждого своего рабочего цикла такие двигатели то нагревают, то охлаждают триллионы триллионов молекул рабочего вещества, тепловая энергия которого превращается в энергию механического движения. А недавно, ученые-физики из Германии создали то, что можно назвать самым маленьким тепловым двигателем в мире. Ведь в нем использована лишь единственная крошечная частица – ион кальция.
Этот атомарный тепловой двигатель имеет слишком малую мощность для того, чтобы заставить двигаться что-либо, различимое глазом человека. Но, согласно Джейкобу Тэйлору, физику из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology),
«такой атомарный двигатель может использоваться при проведении исследований в области статической физики, в области перемещения тепловых потоков и в микроскопических микроэлектромеханических системах».
Любой тепловой двигатель служит для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию механического движения. Это достигается за счет перемещения тепла от более горячих частей, к более холодным, или теплового расширения рабочего тела, что, к примеру, толкает поршень в двигателях внутреннего сгорания. В качестве рабочего тела и одновременно поршня атомарного теплового двигателя, созданного германскими учеными, используется ион кальция. Источником энергии этого двигателя является электромагнитный шумовой сигнал, а при помощи луча лазерного света создается область с низкой температурой.
Ион кальция (атом с одним искусственно удаленным электроном) помещен в воронкообразную электрическую ловушку, длиной в 8 миллиметров, создаваемую потенциалом, приложенным к четырем электродам. Ион нагревается при помощи шумового электромагнитного сигнала, излучаемого еще четырьмя электродами, выступающими в роли своего рода антенн.
Воздействие энергии шумового сигнала заставляет атом кальция колебаться с большей амплитудой и он перемещается в строну более широкого конца ловушки. После отключения источника сигнала атом под воздействием луча лазерного света начинает охлаждаться, амплитуда его колебаний постепенно уменьшается и он снова перемещается к «узкой» стороне ловушки, где электрическое поле имеет самую высокую напряженность. И этот цикл повторяется снова, заставляя ион совершать периодические перемещения.
Рис. 1.
Подобрав необходимые параметры излучения источника шумового сигнала, определив точные моменты его включения и выключения, ученые настроили работу атомарного теплового двигателя так, что частота колебаний иона стала равной резонансной частоте ловушки. Когда эти частоты совпали, атом начал колебаться с увеличением амплитуды при каждом цикле и после этого энергию его движения уже стало можно использовать в каких-либо целях.
В настоящее время избыточная энергия движения атома поглощается при помощи воздействия луча света еще одного лазера. Однако, эту энергию можно использовать для приведения в действие крошечного электрического генератора. Энергия одного колебания атома составляет 10-24 Джоуля и для того, чтобы получить значимое количество электрической энергии потребуется синхронная работа миллионов таких атомарных тепловых двигателей.
Однако, не создание двигателя было целью исследований ученых.
>«Нашей главной целью являлось получение подтверждения тому, что законы термодинамики соблюдаются и при уменьшении масштаба системы до уровня отдельных атомов» – пишут исследователи, – «Полученные нами экспериментальные значения мощности, эффективности и других энергетических показателей работы двигателя оказались весьма близки к значениям, полученным при помощи теоретических расчетов».
Самым интересным, согласно мнению Джейкоба Тэйлора, является то, что
данные эксперименты открывают путь к изучению работы тепловых двигателей на квантовом уровне, на уровне, где действующие законы и принципы отличаются от законов и принципов классической физики. В нынешнем двигателе в каждом цикле атом кальция поглощает энергию эквивалентную энергии приблизительно 1000 фононов, квазичастиц, переносящих тепло.
«Но 1000 фононов – это слишком много для того, чтобы наблюдать реальные квантовые явления. И это количество должно быть кардинально снижено для того, чтобы мы смогли обнаружить любые отклонения от законов классической термодинамики».
