Kvantinis variklis, arba kaip apgauti termodinamikos dėsnius

Da­bar­ti­niai va­rik­liai ne­to­bu­li. Fi­zi­kos dės­nių su­var­žy­mai ne­lei­džia pa­siek­ti ma­ksi­ma­laus efek­ty­vumo, ir da­lis ener­gi­jos ne­iš­ven­gia­mai pra­ran­da­ma. Ta­čiau yra įdo­mus bū­das šių ap­ri­bo­ji­mų iš­veng­ti, ir vi­sai ne­se­niai tai pa­vy­ko įro­dy­ti.

Bet kokio variklio efektyvumas priklauso nuo veikiant prarandamos energijos dalies. Garo varikliai būtent todėl plačiai ir nepaplito, nes pernelyg daug šilumos jie paversdavo ne kinetine energija (tai yra, judėjimu), o atiduodavo aplinkai.

Stimpankui įsikūnyti realiame pasaulyje iš dalies sutrukdė pati gamta, o būtent – antrasis termodinamikos dėsnis, pagal kurį bet kokia uždara sistema stengiasi tolygiai paskirstyti energiją – šilumą. Tai nustato tam tikras ribas praktiškai bet kokiems varikliams.

Siekiant sukurti maksimaliai efektyvų (idealų) variklį, iškyla beveik neįveikiama mechaninio darbo sukeliama trintis – į supantį orą, į mechanizmo detales ir t. t.

Taip dalis energijos, gaunamos iš kuro, negrįžtamai prarandama, ir variklio efektyvumas mažėja. Makroskopinėse sistemose, tai yra, stambiose, tokiose, kaip automobilio vidaus degimo varikliai, išvengti trinties ir kitų energijos nuostolių nelengva.

Kyla natūralus klausimas, – o ar galima makropasaulio suvaržymų išvengti, nusileidus į mikropasaulį?

Pakanka vieno atomo

Kaip rodo daugybė tyrimų, skirtų kvantinių variklių kūrimui, – įmanoma. Taip yra todėl. kad kvantiniu masteliu termodinaminiai procesai vyksta visai kitaip. Tai netgi privertė mokslininkus sukurti kvantų mechaniką ir termodinamiką apjungiančią teoriją.

Kuriant šią teoriją, fizikus domino užduotis sukurti kvantinį variklį, kuris galėtų atlikti darbą absoliučiai be energijos nuostolių, – ne tik dėl trinties, bet ir dėl dėl šilumos mainų su aplinka. Kitaip tariant, toks variklis pasiektų maksimalų efektyvumą.

Naujausiu ir vienu iš įspūdingiausių darbų šia tema yra „Scientific Reports“ publikuojamas JAV, JK ir Italijos mokslininkų tyrimas, kuriame teoriškai pagrindžiama adiabatinio variklio (t. y. kuriame nevyksta šilumos mainai su aplinka) funkcionavimo galimybė.

O būtent, fizikams pavyko adaptuoti Otto ciklą – termodinaminį procesą, aprašantį idealaus vidaus degimo variklio veikimą – mikropasaulio masteliui. Tai atlikti padėjo dabartiniai teorinės fizikos pasiekimai. Pavyzdžiui, mokslininkai panaudojo eksperimentiškai įrodytą fluktuacijos teoremą, kuri atsargiai pakoreguoja antrąjį termodinamikos dėsnį ir nedraudžia entropijai (energijos pasiskirstymui) kai kuriose sistemose ne tik didėti, bet ir mažėti.

Keturios Otto ciklo stadijos, adaptuotos kvantiniam masteliui, kuriame šiluma patenka į osciliatorių, po to išeina, atlikdama darbą

Adiabatiškumo pasiekimui kirsdami kampus (shortcuts to adiabaticity), mokslininkai parodė, kaip Otto ciklo pagrindu galėtų veikti atomo dydžio variklis. Stūmoklio vaidmenį čia atliktų kvantinis harmoninis osciliatorius, apsuptas pora mikroskopinių kamerų šilumos padavimui darbiniam kūnui (osciliatoriui) ir jo aušinimui. Pats darbas, kaip ir standartinio, ne kvantinio Otto ciklo atveju, būtų atliekamas darbinio kūno suspaudimu ir išsiplėtimu.

Trinties nebuvimą užtikrintų „superadiabatiškumas“ – būsena, imituojanti variklio darbą, vykstant lėtiems adiabatiniams procesams. Mokslininkų skaičiavimai rodo, kad toks variklis veiktų labai lėtai, tačiau jo ciklas būtų grįžtamas ir baigtinis, o tai leistų jam atlikti kokį nors darbą.

O ką visa tai reiškia?

Teorinis veikiančio „superadiabatinio“ kvantinio variklio koncepcijos pagrindimas yra žingsnis link senos fizikų svajonės išsipildymo – maksimaliai efektyvaus variklio, teikiančio maksimalią galią sukūrimo. Žinoma, tai ne amžinasis variklis, tačiau vis vien labai įspūdinga ir kur kas realistiškesnė perspektyva.

Šis mokslininkų darbas taip pat naudinga kvantinės termodinamikos vystymui – teorijos kuri turėtų sutaikyti termodinaminius procesus ir elementariųjų dalelių fiziką.

„Termodinamika aprašo procesus, kuriuose dalyvauja daugybė dalelių, tad ir kvantinė jos adaptacija privalo taip pat adekvačiai atspindėti daugelio dalelių procesus. Tokių konceptų, panašių į pasiūlytą mūsų darbe, įgyvendinimas leis žymiai geriau šiuos procesus kontroliuoti“, – sako vienas iš tyrimo autorių, Mauro Paternostro iš Kvinso universiteto (JK).

Tarp kitko, praktinis pasiūlytos schemos realizavimas nėra kažkas fantastiško ir tolimo,mano tyrimo autoriai. Dar daugiau – mokslininkai ketina sugalvotąjį variklį įgyvendinti artimiausiu metu.

Paternostro ir kolegos jau derasi su kai kurių mokslo organizacijų atstovais Europoje, kad patikrintų savo teoriją. O būtent, jie nori pasinaudoti tam tikra įranga, kad iš pradžių pagautų vieną atomą lazeriu, o po to su juo atliktų Otto ciklo šiluminius kitimus.

Jeigu fizikams praktikoje pavyks įrodyti savo teisumą, tai gali paskatinti maksimaliai efektyvių kvantinių ir nano mastelio variklių paplitimą, kurių pritaikymo spektras gali pasirodyti gan įspūdingas.