Почти все образцы тепловых двигателей не могут похвастаться маленькими весовыми и размерными параметрами – некоторые из них весят десятки, а иногда сотни тонн. За один рабочий цикл двигатель внутреннего сгорания задействует энергию огромного количества молекул топлива, которая, в свою очередь, переходит в механическое движение.
Недавно группа немецких ученых совершила прорыв в области разработки тепловых двигателей. Им удалось создать двигатель, который работает лишь на одной молекулярной частице. В качестве топлива исследователи использовали один ион кальция. Конечно же, такой двигатель не может привести в действие какой-нибудь механизм, который человек сможет увидеть невооруженным глазом. Но по словам руководителя группы профессора Джейкоба Тэйлора, Национальный институт стандартов и технологий в своих лабораториях успешно использует изобретение для приведения в движение тепловых потоков, которые циркулируют в электромеханических системах очень малых размеров.
Ион кальция в уникальном двигателе исполняет роль не только топлива, но и рабочего поршня. Для создания областей с пониженной температурой ученые применили лазер. Сам процесс работы двигателя заключается в его построении. Ион кальция находится в ловушке, которая создана за счет подачи электроэнергии на специальные электроды. В это же время на ион воздействует шумовой сигнал, который нагревает его до нужной для работы температуры. Охлаждение же производится за счет лазерного луча.
Вся хитрость состоит в том, что для первоначального пуска двигателя ученым понадобилось осуществить подбор частоты, при которой ион кальция будет постоянно находиться в ловушке, но при этом совершать колебания. Также уникальным свойством такого двигателя является постоянный рост амплитуды колебаний.
Подобрав необходимые параметры излучения источника шумового сигнала, определив точные моменты его включения и выключения, ученые настроили работу атомарного теплового двигателя так, что частота колебаний иона стала равной резонансной частоте ловушки. Когда эти частоты совпали, атом начал колебаться с увеличением амплитуды при каждом цикле и после этого энергию его движения уже стало можно использовать в каких-либо целях.
Весь эксперимент создавался для доказательства того, что размеры двигателя можно уменьшить до размеров атомов, не противореча при этом основным законам термодинамики.
