Квантов двигател, или как да измамим законите на термодинамиката

Съвременните двигатели са несъвършени. Наложените от законите на физиката ограничения не позволяват да се постигне максимална ефективност и дадена част от енергията неизбежно се губи.

Има обаче любопитен начин да се заобиколят тези ограничения и съвсем скоро той бил доказан.

Ефективността на всеки двигател зависи от това, колко енергия губи той при работа. Парните двигатели именно затова не са получили широко разпространение, понеже прекалено много топлина отивала не за преобразуване в кинетична енергия (тоест в движение), а в околното пространство.

До известна степен за ефективни двигатели пречи самата природа, по-конкретно – вторият закон на термодинамиката, според който всяка затворена система се стреми към равномерно разсейване на енергията. Това поставя определени ограничения практически на всякакви двигатели.

Почти непреодолимо препятствие по пътя към максимално ефективен (идеален) двигател се явява и триенето при извършване на механична работа – във въздушната среда, в детайлите на механизма и т.н.

По такъв начин част от енергията, отделяна при преобразуване на горивото, безвъзвратно се губи, което води до намаляване на ефективността на един или друг двигател. Избягването на триенето и загубата на енергия в макроскопичните системи (тоест големи, от рода на автомобилен двигател с вътрешно горене) е доста трудно.

Появява се закономерен въпрос – може ли да се заобиколят ограниченията на макросвета, като се „спуснем“ в микросвета.

Достатъчен е един атом

Както показват редица изследвания, посветени на създаването на квантов двигател, може. Става дума за това, че на квантови мащаби термодинамичните процеси протичат различно. Това дори довело учените до необходимостта от създаване на теория, която да обединява квантовата механика и термодинамиката.

В рамките на разработката на такава теория физиците били привлечени от проблема за създаване на квантов двигател, който да работи без загуба на енергия, избягвайки не само триенето, но и топлообмена с външната среда. С други думи, такъв двигател би достигнал максимална ефективност.

Последната и една от най-впечатляващите досега работи в тази насока е публикувано в сп. Nature изследване на учени от САЩ, Великобритания и Италия, в което теоретично се обосновава възможността за функционирането на подобен двигател, притежаващ адиабатни свойства (тоест лишен от топлообмен с външната среда).

По-конкретно физиците успели да адаптират цикъла на Ото – термодинамичен процес, описващ действието на идеалния двигател с вътрешно горене – към мащабите на микросвета. Те успели да направят това благодарение на съвременните постижения на теоретичната физика. Например учените използвали експериментално доказаната теорема на флуктуациите, която внимателно коригира втория закон на термодинамиката и допуска, че ентропията (разсейването на енергия) с времето може не само да се увеличава в някои системи, но и да намалява.

Четирите стадия на цикъла на Ото, адаптиран към квантови мащаби, в които топлината (heat) влиза в осцилатора, след това излиза, извършвайки механична работа (work).
© A. del Campo, et al.

Използвайки т.нар. кратки пътища за постигането на адиабатичност (shortcuts to adiabaticity), учените установили как може да работи двигател на основата на цикъла на Ото с размер на атом. „Буталото“ в него би се явявал квантов хармоничен осцилатор, заобиколен от две микроскопични камери за подаване на топлина към работното тяло (осцилатора) и неговото охлаждане. Самата работа както и в стандартния, неквантов цикъл на Ото, би се извършвала със свиване и разширение на работното тяло.

Липсата на триене би се осигурявало от „суперадиабатичност“ – състояние, имитиращо работата на двигателя при бавни адиабатни процеси. Изчисленията на учените демонстрират, че подобен двигател би функционирал много бавно, но неговият цикъл би бил обратим и краен във времето, което би му позволило все пак да извърши известна работа.

Какво значи всичко това?

Теоретичното обосноваване на концепцията на работния „супердиабатен“ квантов двигател е крачка напред към осъществяването на стара мечта на физиците – построяване на двигател с максимална ефективност при отдаване на максимална мощност. Това, разбира се, не е вечен двигател, но също е много впечатляваща и много по-реалистична перспектива.

Също работата на учените се явява полезна в разработването на квантова термодинамика – теория, която би помирила термодинамичните процеси и физиката на елементарните частици.

„Термодинамиката описва процеси с участието на много частици и нейната квантова адаптация трябва също така адекватно да отразява многочастичните процеси. Осъществяването на подобни концепции – от рода на това, което сме предложили в нашата работа – ще ни позволи значително по-добре да контролираме тези процеси“, казва Мауро Патерностро от университета Куинс (Великобритания), един от авторите на изследването.

Впрочем практическата реализация на предложената схема на квантов двигател също не е нещо фантастично и далечно, смятат авторите на изследването. Освен това учените възнамеряват да въплътят експериментално измисления от тях двигател в най-близко време.

Патерностро и колегите му вече водят преговори с представители на някои научни организации в Европа, за да проверят своята теория.

По-конкретно те искат да получат достъп до определено оборудване, за да уловят отначало единичен атом с помощта на лазер, а след това да подложат неговата топлинна трансформация на цикъла на Ото.

Ако физиците успеят на практика да докажат своята правота, това може да доведе до повсеместно разпространени максимално ефективни микродвигатели от квантови и наномащаби, чийто спектър на приложение може да се окаже доста впечатляващ.