Ştim că fizicienii lucrează la micşorarea unor dispozitive, dar s-ar putea să o facă până la limita fundamentală: atomul. De exemplu, poate fi supus unei astfel de micşorări, la scară atomică, un motor de automobil, păstrându-i-se principiile de funcţionare?
Într-un studiu, o echipă de fizicieni a propus o schemă pentru construcţia unui motor termic, a cărui alcătuire constă într-un singur ion într-o "cuşcă" de ioni. Se doreşte ca acest motor să funcţioneze la nivel cuantic respectând cei 4 timpi ai motoarelor cu ciclul Otto. Dacă se va realiza, odată introdus în regimul cuantic, acest motor va constitui o unealtă pentru investigarea influenţei efectelor cuantice asupra eficienţei nanomotorului.
Un grup de cercetători de la Universităţile Augsburg, Berlin şi Mainz din Germania, împreună cu cercetători din Maryland şi SUA, au publicat proiectul unui motor termic compus dintr-un singur ion într-un număr Physical Review Letters. Cu puţin timp în urmă cercetătorii au fabricat micromotoare termice, însă un motor termic la nivel cuantic ce este supus efectelor cuantice nu a fost realizat.
Read more at: http://phys.org/news/2012-11-car-built-particle.html#jCp
(a) Diagrama ciclului Otto pentru modul radial al lui ion
(b) Pictogramele ilustrează cei patru timpi ai ciclului Otto
(c) Capcana folosită pentru a menţine capturat ionul
Credit: O. Abah, et al. ©2012 American Physical Society
"Simulările noastre numerice, efectuate cu parametri reali, arată că implementarea unui motor cuantic constituit dintr-un singur ion este fezabilă cu tehnologia disponibilă astăzi, " răspunde Eric Lutz din cadrul universităţilor din Augsburg şi Berlin. "Odată construit, acesta va fi cel mai mic şi primul motor termic cuantic fabricat."
Motorul este format dintr-un singur ion reţinut într-o cuşcă Paul cu geometrie conică. Acel ion este cuplat în alternanţă la două rezervoare cu temperaturi diferite ce îi încălzesc şi răcesc starea de mişcare radială. Încălzirea şi răcirea provoacă ionului o mişcare coerentă în interiorul capcanei, generând un ciclu Otto, energia termică fiind convertită în mişcare. Mişcarea ionului în direcţia axială corespunde cu mişcarea unui piston dintr-un motor clasic, în timp ce mişcarea radială reprezintă combustia internă.
Cercetătorii spun despre cuplajul alternativ la cele două rezervoare termice că se poate controla direct din exterior sau indirect de ion; în cazul al 2-lea, după ce se atinge pragul minim de amplitudine, motorul poate funcţiona automat.
Prin analiză numerică şi analitică, cercetătorii au arătat că motorul cu un singur ion este capabil să funcţioneze cu o eficienţă maximă de 30% la putere maximă în anumite condiţii. Parametrii motorului pot fi modificaţi pe un interval mare de valori, permiţând motorului să funcţioneze în regim cuantic la temperaturi suficient de scăzute.
Echipa de cercetători a propus, de asemenea, o metodă de a capta energia produsă de motor prin folosirea unui mecanism bazat pe geometria conică a capcanei Paul. Această formă conică permite energiei să fie captată în modul axial apoi transferată către celălalt sistem oscilator, ionilor captaţi separat, astfel încât energia să fie extrasă şi folosită pentru desfăşurarea activităţii.
"Considerăm acest motor ca fiind un prototip pentru motoarele generale oscilante ce sunt bazate, de exemplu, pe oscilatoare nanomecanice" spune Lutz. "Acestea au fost deja folosite pentru fabricarea micromotoarelor. Când funcţionează ca o pompă termică, un astfel de motor poate oferi o metodă alternativă pentru răcirea locală unui mod, cum ar fi într-un lanţ de ioni sau într-un oscilator nanomecanic."
De când proiectul le-a fost publicat, Lutz şi coautorii au lucrat mai departe la designul unei cuşti cu geometrie conică şi încearcă în momentul de faţă să construiască un astfel de motor termic cu un singur ion.
Traducere după car-built-particle de Bogdan Mihalcea
