Demon Maxwella ożywa w laboratorium
Badacze z Międzynarodowego Centrum Fizyki Teoretycznej im. Abdusa Salama opublikowali w Physical Review Letters opis niemal idealnego silnika cieplnego. Ich koncepcja nawiązuje do słynnego eksperymentu myślowego Jamesa Maxwella z XIX wieku, wprowadzając do układu element nazwany “demonem”. Mówiąc krótko, jest to inteligentny kontroler monitorujący proces w czasie rzeczywistym.
Zawsze fascynowały mnie silniki – od samochodowych po bardziej zaawansowane maszyny, zarówno sztuczne jak ogniwa słoneczne, jak i naturalne jak komórki i organizmy — wyjaśnia Édgar Roldán, główny autor badania
Czytaj też: Ten silnik złamał zasady. Spalanie jak w dieslu, ale bez jego problemów
Klasyczny silnik Carnota, stanowiący podstawę współczesnej termodynamiki, podlega nieubłaganej granicy efektywności. Jego sprawność określa wzór η = 1 – (Tc/Th), gdzie Tc i Th to temperatury zimnego i gorącego zbiornika. Nowy model pokazuje, jak te ograniczenia można obejść. Autorzy dokonanego przełomu inspirowali się wcześniejszymi pracami z 2021 roku o czymś, co określali mianem demonów hazardowych w termodynamice. W ostatecznym rozrachunku powstał układ działający na zasadach przypominających grę w blackjacka. Nawiązanie bierze się z faktu, że w tej grze karcianej uczestnicy mogą grać w rundzie lub nie, w zależności od kart w ręce, czyli zgodnie z określonym kryterium. Powstały układ wykorzystuje natomiast mikroskopijną cząstkę koloidalną zawieszoną w wodzie i uwięzioną w polu optycznym. Kluczowy moment następuje podczas fazy sprężania. Gdy cząstka przekracza środek pułapki przed ustalonym czasem, system natychmiast przeskakuje do końcowego stanu sprężania, minimalizując stratę energii.
Matematyka granicznych możliwości
Badacze odkryli, że prawdopodobieństwo sukcesu tej strategii maleje wykładniczo z czasem cyklu. Paradoksalnie, im dłużej trwa operacja, tym wyższa osiągana sprawność. W warunkach kwazistatycznych zbliża się ona do teoretycznych 100%.
Używamy klasycznej definicji sprawności, czyli ułamka wydobytej pracy na cykl podzielonej przez pobór ciepła na cykl, uśrednionej po wielu uruchomieniach maszyny. Pokazujemy, że taki ułamek może przekroczyć wartość Carnota w GCE i osiągnąć nawet jeden, co odpowiada 100% konwersji pobranego ciepła w wydobytą pracę — dodaje Roldán
Istnieje jednak istotne zastrzeżenie. Gdy uwzględni się koszt usuwania informacji o pozycji cząstki w każdym cyklu, alternatywna definicja sprawności ponownie mieści się w granicach Carnota. To sugeruje, że przetwarzanie informacji odgrywa kluczową rolę w pozornym łamaniu praw termodynamiki. Naukowcy zapewniają, że ich model teoretyczny da się zrealizować eksperymentalnie. Wszystkie symulacje wykorzystywały realistyczne parametry z wcześniejszych badań, które już z powodzeniem stworzyły pierwszy silnik Carnota z kulką polistyrenową w pułapce optycznej. Głównym wyzwaniem pozostaje technologia, ponieważ konieczne są systemy detekcji pozycji działające z częstotliwością przekraczającą 100 kiloherców. Wolniejsze próbkowanie drastycznie obniża wydajność z powodu opóźnień w detekcji.
Co to oznacza dla przyszłości?
Choć pełnoskalowe zastosowania pozostają odległą perspektywą, badania otwierają nowe możliwości projektowania nanomaszyn i systemów energetycznych działających na poziomie molekularnym. To może być pierwszy krok ku zmianie sposobu myślenia o konwersji energii w mikroskali. I nawet jeśli niekoniecznie mówimy o faktycznym łamaniu praw fizyki, to zbliżanie się do ich granic również brzmi intrygująco. Z drugiej strony, nawet jeśli nowy silnik faktycznie osiąga niemal 100% sprawności, prawdziwy test nastąpi dopiero wtedy, gdy technologia trafi poza laboratoryjne warunki. Być może najcenniejszym aspektem tego odkrycia nie jest samo złamanie rekordu sprawności, lecz nowe pytania, które stawia przed fizykami. Czas pokaże, czy okażą się one równie rewolucyjne, jak sugerują autorzy badań.