Самый маленький паровой двигатель в мире имеет размеры в несколько микрометров

То, что стало бы причиной осмотра автомобильного двигателя в ремонтной мастерской, абсолютно нормально для микродвигателя. Если он барахлит, это вызвано тепловым движением мельчайших частиц, которые мешают его работе. Исследователи Штутгартского университета и, находящегося в Штутгарте, Института Интеллектуальных Систем Макса Планка, наблюдали это с тепловым двигателем в масштабе микрометра. Они также пришли к выводу, что машина фактически выполняет работу. Хотя он еще пока не может использоваться, эксперимент, выполненный исследователями в Штутгарте, показал, что двигатель способен работать даже в микромасштабе. Это означает, что, в принципе, нет ничего, что могло бы помешать созданию высокоэффективных маленьких тепловых двигателей.

Технология, которая работает в крупных масштабах, может встретить неожиданные проблемы на малых. И они могут иметь фундаментальный характер. Это связано с тем, что в микро - и макромире преобладают различные законы. Несмотря на различие законов, некоторые физические процессы удивительно похожи и в больших, и в мелых масштабах. Клеменс Бехингер, профессор Штутгартского университета и Сотрудник Института Интеллектуальных Систем Макса Планка, и его коллега Валентин Бликле наблюдали одно из этих подобий.

«Мы разработали самый маленький паровой двигатель в мире, а если быть более точными, наименьший двигатель Стирлинга, и обнаружили, что машина действительно выполняют работу", говорит Клеменс Бехингер. "Это не обязательно следовало ожидать, поскольку машина настолько мала, что ее движение затруднено из-за микроскопических процессов, не имеющих значения в макромире". Беспорядочное движение частиц, является причиной неравномерной работы микромашины и, в некотором смысле, барахления.

Законы микромира не позволили исследователям построить крошечный двигатель один в один обычному. В тепловом двигателе, который был изобретен почти 200 лет назад Робертом Стирлингом, газонаполненный цилиндр периодически нагревается и охлаждается, так что газ расширяется и сжимается. Это заставляет поршень совершать движения, которыми он может, например, управлять колесом.

"Мы успешно уменьшили размеры основных частей теплового двигателя, например, рабочего газа и поршня, до нескольких микрометров, затем собрав их в машину", говорит Валентин Бликле. Рабочий газ в штутгартском эксперименте, больше не состоит из бесчисленных молекул, а всего лишь из одного пластикового шарика размером в три микрометра (один микрометр соответствует одной тысячной доли миллиметра), который плавает в воде. Так как коллоидная частица приблизительно в 10 тыс. раз больше чем атом, исследователи могут наблюдать ее движение непосредственно в микроскоп.

Физики заменили поршень, который перемещается вверх и вниз в цилиндре, сфокусированным лазерным лучом, интенсивность которого периодически меняется. Оптические силы лазера ограничивают движение пластиковой частицы в большей и меньшей степени, как сжатие и расширение газа в цилиндре большого теплового двигателя. Частица, таким образом, в действительности работает на оптическом поле лазера. Для вклада в работу, чтобы не было компенсации друг друга в процессе сжатия и расширения, они должны иметь место при различных температурах. Это достигается путем внешнего нагревания системы в процессе расширения, как котла парового двигателя. Исследователи заменили угольный огонь старомодным парового двигателя дополнительным лазерным лучом, который быстро нагревает воду, но также позволяет ей остыть, когда он выключен.

Тот факт, что Штутгартская машина работает грубо, связан с наличием молекул воды, которые окружают пластиковый шарик. Молекулы воды находятся в постоянном тепловом движении и непрерывно сталкиваются с микрочастицей. В этих случайных столкновениях, пластиковая частица обменивается с окружающей средой энергией того же порядка величины, что микромашина преобразовывают в работу. "Это фактически означает, что количество полученной энергии, сильно отличается от цикла к циклу, и даже, в крайнем случае, приводит к бездействию машины", объясняет Валентин Бликле. Поскольку макроскопические машины преобразовывают приблизительно на 20 порядков больше энергии, ничтожные энергии столкновений мельчайших частиц в них не существенны.

Физики удивлены тому, что машина в среднем за цикл, несмотря на различной силы, преобразует столько же энергии и, даже работает с той же эффективностью, что его макроскопический коллега при полной нагрузке. "Наши опыты дают нам первоначальное представление об энергетическом балансе теплового двигателя микроскопических размеров. Хотя наша машина пока еще не дает никакой полезной работы, в принципе, нет термодинамических препятствий, запрещающих это на макроуровне", говорит Клеменс Бехингер. Это, безусловно, хорошая новость для разработки надежных, высокоэффективных микромашин.