Испытан самый маленький в мире двигатель Стирлинга

Немцы построили так называемую стохастическую тепловую машину. На неё существенное влияние оказывают случайные события. И всё же, к удивлению учёных, рекордный аппарат смог заработать.

Физики из университета Штутгарта (Universit?t Stuttgart) и института интеллектуальных систем Макса Планка (Max-Planck-Institut f?r Intelligente Systeme) решили выяснить, что произойдёт, если основные детали тепловой машины сократить до микрометровых размеров. Ведь тогда они начнут принимать участие в хаотичном броуновском движении.

Температура рабочего тела в цикле менялась от 22 до 86 градусов Цельсия. Движение поршня (рисунки в центре) авторы устройства заменили на движение микроскопического шарика, пойманного в луче света (рисунки по краям) (иллюстрация Valentin Blickle, Clemens Bechinger).

«Мы разработали самый маленький паровой двигатель в мире, а если быть более точным — наименьший двигатель Стирлинга, и обнаружили, что он действительно выполняет работу, — говорит один из авторов эксперимента Клеменс Бехингер (Clemens Bechinger). — Этого не обязательно следовало ожидать. Ведь машина настолько мала, что её движение затруднено из-за микроскопических процессов, которые не имеют значения в макромире».

Рабочий газ в необычном аппарате немцы заменили на единичную коллоидную частицу. Сделана она была из пластика, а диаметр её составил всего три микрометра. Шарик этот плавал в воде.

В роли поршня выступал регулируемый лазерный луч оптической ловушки. Его поле ограничивало перемещение шарика в большей или меньшей степени, также, как поршень определяет сжатие и расширение газа в обычном стирлинге.

Роль внешнего нагревателя сыграл второй лазерный луч, который мог быстро включаться и выключаться. В силу очень малого объёма, порция воды и плавающий в ней шарик также быстро нагревались и охлаждались.

Схема опытной установки (иллюстрация Fritz H?ffeler / Art For Science).

Из-за крошечного размера и лёгкости частицы молекулы воды хаотично подталкивали её в разных направлениях. При этом обмен энергией пластикового шарика с внешней средой, как посчитали экспериментаторы, оказывался одного порядка с энергией, получаемой от луча.

По всему выходило, что шарик впитывал от цикла к циклу существенно разное количество энергии. А это могло не только сделать ход машины неравномерным, но и застопорить её. Тем не менее, построенная система сумела нормально заработать, и даже показала эффективность, сопоставимую с эффективностью макроскопического стирлинга. (Детали опыта раскрывает статья в Nature Physics.)

Физики поясняют, что таким способом они исследуют ограничения, которые накладывает на классическую термодинамику малый масштаб элементов системы. Полученные сведения помогут в проектировании практически пригодных микромашин.

Кроме того, по значению такой эксперимент сравним с опытами над микро- и наноразмерными объектами, при помощи которых учёные пробуют нащупать границу между классической и квантовой физикой.

Любопытно также, что броуновское движение, рассматриваемое Клеменсом с коллегами как помеха, в реализованном демоне Максвелла выступало как источник полезной работы. При этом на функционирование устройства огромное влияние тоже оказывал именно крохотный масштаб его частей.