Inženjerska čuda utorkom: nano motor
Izvor: Pixabay

Fizičari su izgradili najmanji funkcionalni motor ikad stvoren. To je motor na toplinu jedva veći od pojedinačnog atoma na kojem radi.

Dizajniran i izgrađen od strane tima eksperimentalnih fizičara pod vodstvom Johannesa Roßnagela na Sveučilištu u Mainzu u Njemačkoj, motor s jednim atomom jednako je učinkovit kao i vaš automobil pri pretvaranju promjene temperature u mehaničku energiju.

“MOTOR IMA ISTA RADNA NAČELA KAO DOBRO ZNANI MOTOR S UNTARNJIM IZGARANJEM IZ AUTOMOBILA”

Dok su znanstvenici ranije stvorili nekoliko mikro-motora koji se sastoje od samo 10 000 čestica, Roßnagelov novi motor izbacuje ih iz igre tako što spaja stroj na jedinstveni atom smješten u konusu elektromagnetskog zračenja nano veličine.

“Motor ima iste principe rada kao i dobro poznati automobilski motor s izgaranjem”, kaže Roßnagel. Iz toga slijede ista četiri poteza; ekspanzija, zatim hlađenje, kompresija, zatim grijanje.

Unutar motora

Roßnagel je još 2014. godine u znanstvenom radu predložio teoretski dizajn svog jednoatomskog motora. Sada kada je stvar konačno izgrađena, djeluje gotovo točno onako kako je i rekao.

Prvo, tim hvata jedan atom u konusu elektromagnetske energije iz koje atom ne može pobjeći. O ovom konusu možete misliti kao o čvrsto prikladnom kućištu motora. Za ovaj eksperiment, istraživači su zarobili usamljeni atom kalcija-40, ali ovo je proizvoljan detalj kao i bilo koji atom. Zatim Roßnagelov tim usmjerava dva lasera prema svakom kraju konusa. Laser koji pokazuje na oštar kraj konusa zagrijava atom, a laser koji pokazuje prema bazi hladi atom procesom nazvanim dopplerovim hlađenjem.

 

Inženjerska čuda utorkom: nano motor
Dio laserskog sustava
Izvor: Pixabay

Lasersko zagrijavanje i hlađenje zapravo mijenja veličinu atoma. Budući da se konus tako čvrsto prianjao preko atoma kalcija, da promjena temperature i veličine prisiljava atom na pomak po dužini konusa. Pomiče se prema konusnoj točki kad je hladan i sklopljen, i prema većem dnu kada je topao i proširen.

Kako bi povećali učinkovitost, Roßnagelov tim postavio je lasere za hlađenje i grijanje atoma kalcija istim rezonancijama na kojima atom prirodno vibrira naprijed – nazad.

Ova vruća i hladna oscilacija između dva kraja konusa razvija se, poput rastućeg zvučnog vala, stvarajući energiju koju je Roßnagel mjerio (i teoretski bi mogao iskoristiti). Kako nam je objasnio 2014. godine, “Ako zamislite da stavite drugi ion hladnijom stranom, on može apsorbirati mehaničku energiju našeg motora, slično kao zamašnjak [u motoru automobila].”

Sabijanjem, zatim zagrijavanjem, proširivanjem i hlađenjem, Roßnagelov motor s jednim atomom djeluje poput četverotaktnog motora s izgaranjem. Prilično je bizarna činjenica da, iako je jedan atom kalcija-40 mnogo milijardi puta manji od klipova vašeg automobila, oni slijede iste osnovne korake. Kad je Roßnagelov tim eksperimentalnih fizičara izmjerio energetsku snagu motora, otkrili su da on proizvodi oko 1,5 kilovata po kilogramu – na istoj skali kao i vaš prosječni automobil.

A Roßnagelov motor teoretski bi mogao dobiti dodatni porast učinkovitosti iz neobičnog kvantnog mehaničkog napretka – pomalo nalik super punjenju motora – iako tim to nije pokušao. Još 2014. godine, hipotetizirao je da preciznom kompresijom i ekspanzijom veličine kućišta motora dok je motor radio, kalcijev atom može se prisiliti u kvantno mehaničko stanje koje se naziva stisnuto stanje.

Zapravo, to stisnuto stanje znači da bi atom blago pulsirao dok bi hodao prema hladnom, konusnom kraju konusa. To bi moglo dati dodatni poticaj motoru, jer zahvaljujući tom pulsiranju atom bi u prosjeku bio malo veći kad udari u hladni kraj konusa.

Kad je postigao veličinu jednog atoma, može li Roßnagel smanjiti ovaj motor? “U principu da”, kaže on, ali ne puno. “Mogli biste upotrijebiti elektron umjesto atoma, ali s znanstvenog stajališta nema razlike jer se obje tretiraju kao jednostruke čestice i ponašaju se na isti način.”

Nije za nanobote

Roßnagel otvoreno priznaje da njegov četvorotaktni motor nećete uskoro naći ni u jednom nano-robotu. Iako je sam motor mali, strojevi potrebni za stvaranje elektromagnetskog konusa i zaustavljanje dva lasera za grijanje i hlađenje zauzimaju većinu prostorije.

Inženjerska čuda utorkom: nano motor
Izvor: Pixabay

Ali Roßnagel kaže da to nije iznenađenje. Motor nikada nije trebao biti funkcionalni dio budućeg stroja, već otkriti nove uvide u temeljnu znanost o toplinskim motorima. Do sada nije bilo jasno da će tako maleni motor uopće raditi.

“Ne vidim izravnu primjenu za ovaj motor. Radimo temeljna istraživanja i pokušavamo bolje razumjeti termodinamiku pojedinih čestica”, kaže on. Ipak, “ovo bolje razumijevanje može (i uvjeren sam) dovesti do sljedeće generacije eksperimenata i do budućih uređaja koji će biti zanimljivi za razne aplikacije”, kaže Roßnagel. Možda budući robotski dijelovi ili jednoatomni hladnjaci?

“[Sada znamo] da je moguće realizirati toplinski motor s jednim atomom,” kaže, “zadržavajući iste principe rada kao za makroskopske motore.”