Физики университета Майнца построили пилотный образец теплового двигателя на одном ионеУченые Университета Иоганна Гутенберга Майнца (JGU) и Университета Эрланген-Нюрнберг работают над созданием теплового двигателя, который состоит из всего одного иона. Такая нано-тепловая машина может быть гораздо эффективнее, чем, например, двигатель автомобиля или угольная электростанция.

Обычно тепловой двигатель преобразует тепло в механическую энергию с соответствующим КПД, составляющим, как правило, 25%. Предлагаемый нано-тепловой двигатель, состоящий из одного иона кальция, может быть гораздо более эффективным. Исследователи пытаются понять, как термодинамика работает в очень малых масштабах. Прототип такого одноионной теплового двигателя в настоящее время строится в лаборатории университета Майнца.

Как физики объяснили в статье, недавно опубликованной в журнале «Physical Review Letters», эффективность тепловых двигателей определяется вторым законом термодинамики, одним из фундаментальных понятий в физике.

Еще в 1824 году француз Николя Карно рассчитал максимально возможное ограничение эффективности таких двигателей, ныне известное как предел Карно. В случае нового нано-теплового двигателя, ученые уверены, что теоретически в состоянии превысить классический предел Карно за счет изменения температуры и использования неравновесных состояний.

Расчеты и моделирование, сделанные около года назад в первый раз показали, что термодинамический поток в двигателе внутреннего сгорания может быть воспроизведен с помощью отдельных ионов. Идея заключалась в том, чтобы использовать ион кальция 40, диаметр которого в миллион раз меньше, чем у человеческого волоса.

«Отдельные ионы могут выступать в качестве поршня и приводного вала или, другими словами, представляют собой движущую силу», — пояснил Йоханнес Робнагель из группы квантовой, атомной и нейтронной физики (квантовой) Института Майнца.

Отдельные ионы уже захвачены в ионные ловушки Поля. Под воздействием лазерных лучей и электрических полей они не только охлаждаются и нагреваются, но и сжимаются.

«Это означает, что мы в состоянии управлять распределением импульсов для оптимальной эффективности», — добавил Йоханнес. «Превышение предела Карно для стандартного теплового двигателя, таким образом, не нарушает второй закон термодинамики, но вместо этого показывает, что использование специально подготовленных, нетермических тепловых коллекторов также дает возможность для дальнейшего улучшения эффективности».

Поскольку механическая емкость двигателя из одного иона чрезвычайно мала, вероятно, что они могут быть использованы только для нагрева или охлаждения нано систем.

Как только прототип двигателя будет готов, ученые продолжат изучение одиночных ионных тепловой двигателей.
Ученые Университета Иоганна Гутенберга Майнца (JGU) и Университета Эрланген-Нюрнберг работают над созданием теплового двигателя, который состоит из всего одного иона. Такая нано-тепловая машина может быть гораздо эффективнее, чем, например, двигатель автомобиля или угольная электростанция.

Обычно тепловой двигатель преобразует тепло в механическую энергию с соответствующим КПД, составляющим, как правило, 25%. Предлагаемый нано-тепловой двигатель, состоящий из одного иона кальция, может быть гораздо более эффективным. Исследователи пытаются понять, как термодинамика работает в очень малых масштабах. Прототип такого одноионной теплового двигателя в настоящее время строится в лаборатории университета Майнца.

Как физики объяснили в статье, недавно опубликованной в журнале «Physical Review Letters», эффективность тепловых двигателей определяется вторым законом термодинамики, одним из фундаментальных понятий в физике.

Еще в 1824 году француз Николя Карно рассчитал максимально возможное ограничение эффективности таких двигателей, ныне известное как предел Карно. В случае нового нано-теплового двигателя, ученые уверены, что теоретически в состоянии превысить классический предел Карно за счет изменения температуры и использования неравновесных состояний.

Расчеты и моделирование, сделанные около года назад в первый раз показали, что термодинамический поток в двигателе внутреннего сгорания может быть воспроизведен с помощью отдельных ионов. Идея заключалась в том, чтобы использовать ион кальция 40, диаметр которого в миллион раз меньше, чем у человеческого волоса.

«Отдельные ионы могут выступать в качестве поршня и приводного вала или, другими словами, представляют собой движущую силу», — пояснил Йоханнес Робнагель из группы квантовой, атомной и нейтронной физики (квантовой) Института Майнца.

Отдельные ионы уже захвачены в ионные ловушки Поля. Под воздействием лазерных лучей и электрических полей они не только охлаждаются и нагреваются, но и сжимаются.

«Это означает, что мы в состоянии управлять распределением импульсов для оптимальной эффективности», — добавил Йоханнес. «Превышение предела Карно для стандартного теплового двигателя, таким образом, не нарушает второй закон термодинамики, но вместо этого показывает, что использование специально подготовленных, нетермических тепловых коллекторов также дает возможность для дальнейшего улучшения эффективности».

Поскольку механическая емкость двигателя из одного иона чрезвычайно мала, вероятно, что они могут быть использованы только для нагрева или охлаждения нано систем.

Как только прототип двигателя будет готов, ученые продолжат изучение одиночных ионных тепловой двигателей.