Тепловые двигатели сыграли важную роль в формировании общества со времен промышленной революции. Как и в случае с двигателями автомобилей, они преобразуют тепловую энергию в механическую силу, и наш современный образ жизни был бы невозможен без них.
В то же время прогресс в миниатюризации приводит к созданию устройств все меньшего размера.Группа исследователей во главе с профессором Килианом Сингером, руководителем проекта в Университете Майнца, а ныне профессором Университета Касселя, использовала ловушку Пауля для захвата одного электрически заряженного атома кальция. Этот атом можно нагреть с помощью генерируемого электричеством шума и охладить с помощью лазерного луча.
В результате атом подвергается термодинамическому циклу. Это означает, что частица движется вперед и назад внутри ловушки, повторяя ход обычного двигателя. Атом не только действует так же, как двигатель, но и накапливает энергию.Исследователи провели обширные испытания, чтобы определить термодинамическое поведение своего двигателя.
В своей публикации они заявляют, что их одночастичный двигатель может генерировать мощность 10-22 Вт и работает с КПД 0,3%. Если бы мощность одноатомного двигателя была увеличена с крошечной массы атома, его мощность была бы эквивалентна мощности автомобильного двигателя. «Изменив цикл, мы могли бы даже использовать устройство в качестве холодильника с одним атомом и использовать его для охлаждения связанных с ним нано-систем», — пояснил Йоханнес Роанагель, первый автор исследования.Однако основная цель этого исследования заключается в том, что создание такого нанодвигателя позволит проникнуть в суть термодинамики на одночастичном уровне, что в настоящее время является очень актуальной темой в исследованиях.
Планируется еще больше снизить рабочую температуру двигателя, чтобы исследовать термодинамические квантовые эффекты. Теоретически предполагается, что мощность теплового двигателя можно увеличить, подключив его к квантовому термостату, тем самым предоставив множество возможностей, которые можно использовать для выхода за общепринятые границы классической термодинамики и создания новых типов термодинамики. двигатели.
Этот проект является частью проекта «Одноионный тепловой двигатель», финансируемого за счет исследовательского гранта Немецкого исследовательского фонда, и получил дальнейшее финансирование в рамках проекта «Атомный наноассемблер», финансируемого Фондом Volkswagen.