Demon Maxwella w pułapce laserowej
Jak to w ogóle możliwe, żeby nie naruszyć przy tym drugiej zasady termodynamiki? Sekret tkwi w potraktowaniu informacji jako pełnoprawnego zasobu energetycznego. Naukowcy z ICTP we Włoszech, École Normale Supérieure we Francji, Uniwersytetu Poczdamskiego w Niemczech oraz IFISC w Hiszpanii opracowali teoretyczny model, który łączy termodynamikę stochastyczną z klasycznym eksperymentem myślowym zwanym demonem Maxwella. Centralnym elementem tego nowego silnika Carnota jest mikroskopijna kuleczka z plastiku zawieszona w wodzie i utrzymywana w pozycji za pomocą szczypiec optycznych. Cząstka nieustannie drga pod wpływem ruchów Browna, będących wynikiem ciągłego zderzania z cząsteczkami wody.
Czytaj też: Wodór w klasycznym silniku diesla. Ten projekt pokazuje intrygującą przyszłość transportu
Wykorzystany kontroler jest inspirowany dziewiętnastowiecznym eksperymentem myślowym z demonem Maxwella. W oryginalnej koncepcji demon sortował cząstki według energii, co teoretycznie łamało zasady termodynamiki. W nowym silniku kontroler obserwuje położenie drgającej kuleczki i decyduje o interwencji według określonej strategii. Reguła działania przypomina nieco taktykę stosowaną w blackjacku. Mówiąc krótko, kontroler czeka, aż cząstka osiągnie określone położenie w wyznaczonym czasie. To podejście oparte na warunku pierwszego przejścia umożliwia pozyskiwanie pracy z pozornie chaotycznych ruchów termicznych. Układ nie funkcjonuje w sposób ciągły, lecz działa interwencyjnie w precyzyjnie dobranych momentach.
Informacja jako fizyczny zasób
Czy to oznacza łamanie podstawowych praw fizyki? Odpowiedź jest bardziej subtelna niż mogłoby się wydawać. Osiągnięcie stuprocentowej sprawności dotyczy wyłącznie części termicznej cyklu, przy oddzielnym rozliczaniu kosztów związanych z przetwarzaniem informacji i kontrolą. To trochę jak prowadzenie podwójnej księgowości – osobno dla przepływów cieplnych i pracy, a osobno dla operacji informacyjnych. Fundamentalne znaczenie ma tutaj zasada Landauera, która określa minimalną ilość energii potrzebną do skasowania jednego bitu informacji. Każda operacja przetwarzania danych generuje ciepło.
Ta prawda dotyczy wszystkich urządzeń fizycznych, od smartfonów po superkomputery. Gdy uwzględni się energetyczny koszt pomiaru pozycji cząstki i decyzji kontrolera, ogólny bilans nadal pozostaje zgodny z klasycznymi prawami termodynamiki. Co ciekawe, symulacje numeryczne wykazały, że silnik przekracza również limit Novikova-Curzona-Ahlborna, będący punktem odniesienia dla sprawności przy maksymalnej mocy. Mamy więc do czynienia nie tylko z teoretyczną ciekawostką, lecz dodatkowo z realnym poszerzeniem możliwości w dziedzinie termodynamiki.
Od teorii do praktycznych zastosowań
Model został zweryfikowany za pomocą symulacji opartych na termodynamice stochastycznej, czyli stosunkowo młodej dziedzinie zajmującej się fizyką małych systemów podlegających fluktuacjom. W odróżnieniu od klasycznej termodynamiki, która opisuje zachowanie dużych zbiorów cząstek, ta gałąź bada pojedyncze obiekty, gdzie czynnik losowości odgrywa kluczową rolę. Jak przekonuje Édgar Roldán, zdaniem jego zespołu ten pomysł może zostać bardzo szybko zrealizowany w laboratorium.
Czytaj też: Ten silnik łączy Ziemię z kosmosem. Wytwarza energię w niewyobrażalny sposób
Warunkiem technicznym jest próbkowanie z częstotliwością przekraczającą 100 kiloherców. Pozwoliłoby to śledzić szybkie ruchy Browna cząstki i reagować w odpowiednich momentach. To ambitne wymaganie, choć możliwe do spełnienia przy użyciu współczesnej technologii szczypiec optycznych i szybkich systemów pomiarowych. Badacze dostrzegają możliwość tworzenia wydajnych nanomaszyn, które mogłyby pozyskiwać niewielkie ilości ciepła z otoczenia i przekształcać je w pracę użyteczną. Wyobraźmy sobie mikroskopijne czujniki zasilane wyłącznie ciepłem środowiskowym, bez konieczności stosowania baterii. Inne potencjalne zastosowania obejmują precyzyjne narzędzia laboratoryjne zdolne do manipulowania pojedynczymi cząstkami czy komórkami biologicznymi.
Silnik Carnota o Strategii Hazardowej to coś więcej niż teoretyczna ciekawostka. Jego zasady mogłyby zainspirować nową generację mikroskopijnych maszyn, gdzie sterowanie oparte na informacji umożliwia osiągnięcie poziomów wydajności uważanych wcześniej za niemożliwe – podsumowuje Gonzalo Manzano z IFISC