Η μικρότερη ατμομηχανή έχει μήκος λίγα χιλιοστά του χιλιοστού

Στη μικροσκοπική ατμομηχανή, ο καυστήρας και το πιστόνι έχουν αντικατασταθεί με δέσμες λέιζερ (Fritz Höffeler / Art For Science) 

Το μόνο της μειονέκτημα είναι ότι ρετάρει, λειτουργεί δηλαδή λίγο ακανόνιστα. Κατά τα άλλα, η μικρότερη ατμομηχανή του κόσμου, με μήκος μόλις μερικά μικρόμετρα, συμπεριφέρεται όπως οι ατμομηχανές που γνωρίζουμε και παράγει έργο.

Η έρευνα, που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Nature Physics, αποδεικνύει επί της αρχής ότι είναι δυνατή η κατασκευή λειτουργικών ατμομηχανών σε πολύ μικρή κλίμακα, αν και οι εφαρμογές αυτών των συστημάτων δεν είναι ακόμα εμφανείς.

Εξάλλου, σμίκρυνση δεν πετυχαίνει πάντα σε τεχνολογίες που λειτουργούν σε μεγάλη κλίμακα, καθώς οι φυσικοί νόμοι του μικρόκοσμου συχνά δημιουργούν απρόβλεπτα αλλά θεμελιώδη εμπόδια.

«Διαπιστώσαμε ότι η μηχανή όντως παράγει έργο. Αυτό δεν ήταν απαραίτητα αναμενόμενο, δεδομένου ότι η μηχανή είναι τόσο μικρή ώστε η κίνησή της συναντά εμπόδια από μικροσκοπικές διεργασίες που δεν έχουν συνέπεια στο μακρόκοσμο» επισημαίνει ο Κλέμενς Μπέκινζερ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης και το Ινστιτούτο Ευφυών Συστημάτων Μαξ Πλανκ.

Schematic comparison of a macroscopic Stirling cycle and its realization in a colloidal system.

Η μηχανή του Μπέκινζερ ακολουθεί τη σχεδιαστική λογική του κινητήρα Στέρλινγκ, τον οποίο επινόησε ο Σκωτσέζος εφευρέτης Ρόμπερτ Στέρλινγκ το 1816: το αέριο που περιέχει ο κύλινδρος καύσης περιοδικά θερμαίνεται και ψύχεται ώστε να διαστέλλεται και να συστέλλεται. Αυτό αναγκάζει ένα πιστόνι να κινείται παλινδρομικά, ώστε να κινεί για παράδειγμα τους τροχούς ενός τρένου.

«Αναπτύξαμε τη μικρότερη ατμομηχανή του κόσμου ή, για να είμαστε πιο συγκεκριμένοι, τη μικρότερη μηχανή Στέρλινγκ» λέει ο Δρ Μπέκινζερ.

Ωστόσο οι νόμοι του μικρόκοσμου ανάγκασαν τους ερευνητές να αντικαταστήσουν ορισμένα από τα εξαρτήματα μιας συμβατικής ατμομηχανής: Αντί για αέριο, ο κύλινδρος της μικροσκοπικής μηχανής περιέχει μια μεμονωμένη πλαστική σφαίρα διαμέτρου τριών μικρομέτρων, η οποία επιπλέει μέσα σε νερό.

Αντί για κάρβουνο, επίσης η μηχανή χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ για να θερμαίνει στιγμιαία το νερό, πριν το αφήσει και πάλι να κρυώσει. Η πλαστική σφαίρα εκτελεί έτσι μια παλινδρομική κίνηση, η οποία όμως δεν κινεί ένα πιστόνι, αλλά επηρεάζει το πεδίο μιας δεύτερης δέσμης λέιζερ. Το έργο παράγεται από τη αυξομείωση στην ένταση της δέσμης την οποία προκαλεί η παλινδρομική κίνηση της σφαίρας.

Το μόνο πρόβλημα είναι ότι η μηχανή ρετάρει, δηλαδή λειτουργεί ελαφρώς ακανόνιστα και χωρίς σταθερή απόδοση, λόγω των αδιάκοπων συγκρούσεων της πλαστικής σφαίρας με τα μόρια νερού που την περιβάλλουν.

Οι ερευνητές παραδέχονται ότι η εφεύρεσή τους δεν έχει προφανείς πρακτικές εφαρμογές, επισημαίνουν όμως ότι η μελέτη τους έχει θεωρητικές προεκτάσεις για τη δημιουργία άλλων μικρομηχανών στο μέλλον.

«Αν και η μηχανή μας δεν προσφέρει ακόμα κάποια πρακτική λειτουργία, επί της αρχής δεν υπάρχουν θερμοδυναμικά εμπόδια που να εμποδίζουν τη λειτουργία της σε μικρές διαστάσεις» λέει ο Μπέκινζερ.

The original Stirling engine (Image: Buyenlarge/Getty Images)

Πηγή: Newsroom ΔΟΛ

 http://www.newscientist.com/article/dn21274-single-particle-is-the-smallest-stirling-engine-yet.html

 http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys2163.html