Šiuolaikiniai varikliai nėra tobuli. Iš fizikos dėsnių kylantys apribojimai neleidžia pasiekti maksimalaus efektyvumo, ir dalis energijos neišvengiamai prarandama. Tačiau yra įdomus teorinis būdas kaip tuos apribojimus apeiti ir visai neseniai tai pavyko įrodyti.
Šiuolaikiniai varikliai nėra tobuli. Iš fizikos dėsnių kylantys apribojimai neleidžia pasiekti maksimalaus efektyvumo, ir dalis energijos neišvengiamai prarandama. Tačiau yra įdomus teorinis būdas kaip tuos apribojimus apeiti ir visai neseniai tai pavyko įrodyti.
Bet kokio variklio efektyvumas priklauso nuo to, kiek energijos prarandama, atliekant darbą. Garo varikliai būtent todėl ir nepaplito, kad juose pernelyg daug šilumos sunaudojama ne kinetinei energijai išgauti (t. y. judėjimui, naudingam darbui), tiesiog išlekia į aplinką.
Stimpankui tapti realybe iš dalies sukliudė pati gamta, o būtent – antrasis termodinamikos dėsnis, pagal kurį bet kuri uždara sistema siekia tolygaus energijos – šilumos pasiskirstymo. Tokie apribojimai taikytini praktiškai bet kokiems varikliams.
Beveik neįveikiama kliūtimi kelyje link maksimaliai efektyvaus (idealaus) variklio yra ir atliekant mechaninį darbą atsirandanti trintis – į mechanizmo detales, į orą, ir t. t.
Todėl dalis kuro energijos, negrįžtamai prarandama, ir variklio efektyvumas atitinkamai krenta. Makroskopinėse sistemose (stambiuose, pavyzdžiui, automobilių vidaus degimo varikliuose), trinties ir energijos nuostolių išvengti sunku.
Savaime kyla klausimas – o gal makropasaulio apribojimus galima apeiti, „nusileidus“ į mikropasaulį?
Užtenka vieno atomo
Kaip rodo ne vienas kvantinių variklių kūrimui skirtas tyrimas, galima. Mat kvantiniu masteliu termodinamikos procesai vyksta visiškai kitaip. Mokslininkams netgi teko sukurti kvantinę mechaniką ir termodinamiką aiškinančią teoriją.
Kvantinis variklis galėtų atlikti darbą absoliučiai be energijos nuostolių, išvengdamas ne tik trinties, bet ir šilumos mainų su aplinka Kuriant tokią teoriją, fizikus sudomino kvantinio variklio problema. Jis galėtų atlikti darbą absoliučiai be energijos nuostolių, išvengdamas ne tik trinties, bet ir šilumos mainų su aplinka. Kitaip tariant, toks variklis pasiektų maksimalų efektyvumą.
Naujausias ir vienas iš įspūdingiausių šios srities darbų yra Scientific Reports žurnale publikuotas JAV, D. Britanijos ir Italijos mokslininkų tyrimas, kuriame teoriškai pagrindžiamas adiabatinio – t. y. tokio, kuriame nevyksta šilumos mainai su aplinka – variklio funkcionavimo galimybė.
Fizikams pavyko mikropasauliui adaptuoti idealaus vidaus degimo variklio veikimą aprašantį termodinaminį procesą – Otto ciklą. Jie tai įgyvendino, remdamiesi šiuolaikiniais teorinės fizikos pasiekimais. Pavyzdžiui, mokslininkai panaudojo eksperimentiškai įrodytą fluktuacijų teoremą, kuri šiek tiek pakoreguoja antrąjį termodinamikos dėsnį ir neatmeta galimybės, kad entropija (energijos išsisklaidymas) kai kuriose sistemose gali ne tik didėti, bet ir mažėti.
Panaudodami vadinamuosius „adiabatiškumo pasiekimo trumpinius“ (angl. shortcuts to adiabaticity), mokslininkai parodė, kaip galėtų veikti Otto ciklu paremtas atomo dydžio variklis. Jame „stūmokliu“ būtų kvantinis harmoninis osciliatorius, su dviem mikroskopinėmis kameromis, skirtomis šilumos tiekimui darbiniam kūnui (osciliatoriui) ir jo aušinimui. Pats darbas, kaip ir standartiniame, ne kvantiniame Otto cikle, būtų atliekamas, suspaudžiant darbinį kūną ir jam plečiantis.
Trinties nebuvimą užtikrintų „superadiabatiškumas“ – būsena, imituojanti variklio veikimą, vykstant lėtiems adiabatiniams procesams. Mokslininkų skaičiavimai rodo, kad toks variklis veiktų labai lėtai, tačiau jo ciklas būtų grįžtamas ir baigtinio laiko, tad galėtų atlikti kokį nors darbą.
O ką visa tai reiškia?
Teorinis veikiančio „superadiabatinio“ kvantinio variklio pagrindimas yra žingsnis link senos fizikų svajonės įgyvendinimo – maksimalia galia ir maksimaliai efektyviai veikiančio variklio sukūrimo. Tai, žinoma, ne amžinasis variklis, tačiau irgi labai įspūdinga ir gerokai realistiškesnė perspektyva.
Šis mokslininkų darbas pasitarnavo ir termodinaminius procesus su elementariųjų dalelių fizika sutaikančios kvantinės termodinamikos vystymui.
„Termodinamika aprašo procesus, kuriuose dalyvauja iš karto daug dalelių, ir kvantinė jos adaptacija privalo taip pat adekvačiai atspindėti procesus, vykstančius su daugeliu dalelių. Tokių konceptų – panašių į siūlomą mūsų darbe – įgyvendinimas leis daug geriau šiuos procesus kontroliuoti“, – sako vienas iš tyrimo autorių, Mauro Paternostro iš Belfasto Karalienės universiteto.
Beje, praktinis pasiūlytos kvantinio variklio schemos įgyvendinimas irgi nėra tolima fantastika, mano tyrimo autoriai – įgyvendinti sugalvotą variklį ketinama artimiausiu metu.
Siekdami patikrinti savo teoriją, Paternostro ir jo kolegos jau derasi su kelių Europos mokslo organizacijų atstovais, kad galėtų pasinaudoti tam tikra įranga, kurią naudodami, lazeriu galėtų pagauti vieną atomą, o paskui su juo atlikti Otto ciklo šiluminius pokyčius.
Jei fizikams pavyks praktiškai įrodyti savo teisumą, gali paplisti maksimaliai efektyvūs kvantiniai nanometrų mastelių varikliai, kurių panaudojimo spektras – itin įspūdingas.
