อุตสาหกรรม

เครื่องยนต์ที่เล็กที่สุดในโลกที่ทำงานบนอะตอมเดียว

เครื่องยนต์ที่เล็กที่สุดในโลกที่ทำงานบนอะตอมเดียว

ปริญญาเอก นักศึกษา Johannes Roßnagelได้ร่วมมือกับนักฟิสิกส์และวิศวกรคนอื่น ๆ เมื่อไม่นานมานี้ได้สร้างเครื่องยนต์ที่เล็กที่สุดในโลกที่ใช้อะตอมเพียงอะตอมเดียวซึ่งอาจมีศักยภาพที่จะกลายเป็นเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา

อุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมได้รับการพัฒนาในยุคที่เครื่องยนต์ทั่วไปมีน้ำหนักเกินหนึ่งตัน อย่างไรก็ตามเมื่อเข้าใจถึงผลกระทบทางควอนตัมได้ดีขึ้นข้อ จำกัด ที่เป็นที่รู้จักกันดีในการควบคุมเครื่องยนต์ทั่วไปอาจเกินขนาดได้ด้วยเครื่องยนต์ขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งไม่สามารถใช้ขีด จำกัด ได้อีกต่อไป

บทความที่ตีพิมพ์ใน Physical Review Letters ซึ่งกล่าวถึงในปี 2014 เครื่องยนต์นาโนที่สามารถมีประสิทธิภาพสูงกว่าขีด จำกัด Carnot แบบคลาสสิกอย่างน้อยหนึ่งในสี่ที่ควบคุมเครื่องยนต์ความร้อนทั่วไป นักวิทยาศาสตร์อ้างว่า "ประสิทธิภาพที่กำลังสูงสุดถึงปัจจัย 4 นั้นถึงแล้วซึ่งส่วนใหญ่เกินขอบเขตของ Carnot" อย่างไรก็ตามเมื่อไม่นานมานี้เครื่องยนต์ได้กลายเป็นจริงโดยได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องยนต์ที่เล็กที่สุดในโลกที่เคยสร้างขึ้นโดยการสร้างเครื่องยนต์ที่ทำงานโดยใช้อะตอมเพียงอะตอมเดียว

ขีด จำกัด Carnot กำหนดขีด จำกัด ของประสิทธิภาพสูงสุด (ผลผลิตงานหารด้วยเอาต์พุตความร้อน) สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ขับเคลื่อนด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิสองแห่งระหว่างอ่างเก็บน้ำความร้อนสองแห่งที่ออกแบบมาเพื่อรักษาสมดุลทางความร้อน เครื่องยนต์ความร้อนใช้พลังงานความร้อน (การเผาไหม้) ซึ่งถูกแปลงเป็นงานเชิงกล (การเคลื่อนที่) และโดยทั่วไปสร้างขึ้นโดยการเผาไหม้ของอนุภาคจำนวนมาก (เช่นน้ำมันก๊าดดีเซลก๊าซหรือสารติดไฟอื่น ๆ )

เครื่องยนต์ความร้อนแบบอะตอมเดี่ยวทดลองใช้กับดักพอลเชิงเส้น (ดูแผนภาพด้านล่าง) ซึ่งดักจับแคลเซียมอะตอมที่มีประจุลบเพียงอะตอมเดียว อะตอมเมื่อมีพลังงานต่ำจะถูกดึงดูดไปที่ปลายขั้วไฟฟ้าที่ปิดซึ่งจะถูกนำไปใช้กับแรงไฟฟ้าสถิตขนาดใหญ่และเลเซอร์ที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บความร้อนโดยการเร่งอะตอม

สนามลบทั้งสองจะขับไล่ซึ่งกันและกันให้พลังงานความร้อนของอะตอมและขับเคลื่อนไปยังด้านขนาดใหญ่ของเครื่องยนต์ จากนั้นอะตอมจะถูกระบายความร้อนผ่าน Doppler ระบายความร้อนด้วยเลเซอร์อีกตัวซึ่งทำหน้าที่เป็นที่กักเก็บความเย็นที่ด้านข้างขนาดใหญ่ของกรวยดังนั้นจึงส่งมันกลับไปที่ปลายร้อน อะตอมจะวนซ้ำรอบนี้ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนอย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อทำให้เครื่องยนต์และเป็นส่วนหนึ่งของเชื้อเพลิง (มีอินพุตเลเซอร์)

แม้ว่าพลังงานจะถูกเก็บไว้ภายในเครื่องยนต์ แต่Roßnagelกล่าวว่า "ถ้าคุณจินตนาการว่าคุณใส่ไอออนตัวที่สองไว้ที่ด้านที่เย็นกว่ามันสามารถดูดซับพลังงานกลของเครื่องยนต์ของเราได้เหมือนกับมู่เล่ [ในเครื่องยนต์ของรถยนต์]" ดังนั้น การควบคุมกำลังของเครื่องยนต์

เครื่องยนต์นาโนยังมีคุณสมบัติที่มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งซึ่งRoßnagelระบุว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมากมันสามารถเอาชนะข้อ จำกัด ในปัจจุบันที่กำหนดโดยกฎหมายของ Carnot ซึ่งเป็นกฎหมายที่ควรจะให้ช่วงประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ เมื่ออะตอมถูกทำให้ร้อนและเย็นลงขนาดของมันจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยซึ่งจะเปลี่ยนแปลงความน่าจะเป็นที่อะตอมนั้นมีอยู่จริง

เนื่องจากอะตอมถูกกักขังอย่างแน่นหนาภายในอิเล็กโทรดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงบังคับให้อะตอมสั่นไปมาพร้อมกับการขยายและการหดตัวของขนาด ความถี่ของเลเซอร์ที่ทำความร้อนและทำให้อะตอมเย็นลงจะตรงกับความถี่ที่อะตอมสั่นตามธรรมชาติเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด อะตอมที่มีขนาดแตกต่างกันทำให้เครื่องยนต์มีการเพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับซูเปอร์ชาร์จเจอร์ที่ให้ความสามารถในการเกินขีด จำกัด ของคาร์โนต์ด้วยอัตรากำไรที่มาก

เมื่ออะตอมถูกทำให้ร้อนและเย็นลงขนาดของมันจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยซึ่งจะเปลี่ยนความน่าจะเป็นที่อะตอมนั้นมีอยู่จริง เนื่องจากอะตอมถูกกักขังอย่างแน่นหนาภายในอิเล็กโทรดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจึงบังคับให้อะตอมสั่นไปมาพร้อมกับการขยายตัวและการหดตัวของขนาด

ความถี่ของเลเซอร์ที่ทำความร้อนและทำให้อะตอมเย็นลงจะตรงกับความถี่ที่อะตอมสั่นตามธรรมชาติเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด อะตอมที่มีขนาดแตกต่างกันทำให้เครื่องยนต์มีการเพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับซูเปอร์ชาร์จเจอร์ที่ให้ความสามารถในการเกินขีด จำกัด ของคาร์โนต์ด้วยอัตรากำไรที่มาก เครื่องยนต์สามารถรักษากำลังขับได้ 3.4 × 10 ^ -22 จูลต่อวินาทีซึ่งค่อนข้างน่าประทับใจเนื่องจากมวลของแคลเซียมหนึ่งอะตอมเท่ากับ 6.3 x 10 ^ -23 กรัมซึ่งเป็นอัตราส่วนที่มีประสิทธิภาพอย่างไม่น่าเชื่อ

แม้ว่าเครื่องยนต์จะน่าประทับใจ แต่การอ้างว่าเครื่องยนต์สามารถ "ทำลาย" กฎทางฟิสิกส์ใด ๆ ควรได้รับการตรวจสอบข้อเท็จจริงและความกังขาอย่างหนัก แม้ว่าการใช้วิธีการบีบจะเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ แต่ก็ต้องคำนึงถึงแรงที่ต้องใช้ในการสร้างเอฟเฟกต์ซึ่งเป็นแรงที่ต้องใช้อินพุตในการทำงานที่ใช้พลังงานบางส่วนจนหมด

ดูเพิ่มเติม: GE TESTS JET ENGINE ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

เทคโนโลยีนี้น่าประทับใจ แต่ขนาดที่แท้จริงของเครื่องยนต์เพียงอย่างเดียวซึ่งต้องใช้พื้นที่ห้องปฏิบัติการจำนวนมากจะขัดขวางไม่ให้มองเห็นเครื่องยนต์นอกห้องปฏิบัติการได้ในเร็ว ๆ นี้ บางทีวันหนึ่งเครื่องยนต์เหล่านี้อาจช่วยทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเย็นลงพลังนาโนบ็อตหรืออาจให้แหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้อย่างไม่น่าเชื่อ อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีดังกล่าวยังคงมีแนวทางในการพัฒนาก่อนที่จะใช้เป็นแหล่งพลังงานได้

เขียนโดย Maverick Baker