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Le plus petit moteur du monde fonctionnant sur un seul atome

Le plus petit moteur du monde fonctionnant sur un seul atome

doctorat L'étudiant Johannes Roßnagel, en collaboration avec d'autres physiciens et ingénieurs, a récemment créé le plus petit moteur du monde fonctionnant à partir d'un seul atome, ce qui pourrait avoir le potentiel de devenir le moteur le plus efficace jamais créé.

La thermodynamique traditionnelle a été développée à une époque où les moteurs typiques pesaient plus d'une tonne. Cependant, à mesure que les effets quantiques deviennent mieux compris, les limitations bien connues régissant les moteurs typiques peuvent être dépassées par des moteurs incroyablement petits où les limites ne s'appliquent plus.

Un article publié dans Physical Review Letters discutait en 2014 d'un nano moteur qui pourrait avoir un rendement supérieur d'au moins un facteur quatre à la limite de Carnot classique régissant les moteurs thermiques conventionnels. Les scientifiques ont affirmé que "l'efficacité à la puissance maximale allant jusqu'à un facteur de 4 est atteinte, dépassant largement la limite de Carnot". Cependant, tout récemment, le moteur est devenu une réalité, l'établissant comme le plus petit moteur au monde jamais créé en créant un moteur qui ne fonctionne qu'avec un seul atome.

La limite de Carnot détermine la limite du rendement maximal (rendement de travail divisé par la production de chaleur) pour un moteur à combustion interne entraîné par deux différences de température entre deux réservoirs thermiques destinés à maintenir l'équilibre thermique. Un moteur thermique utilise de l'énergie thermique (combustion) qui est convertie en travail mécanique (mouvement) et est généralement créée par la combustion d'un grand nombre de particules (comme le kérosène, le diesel, le gaz ou d'autres combustibles).

Le moteur thermique expérimental à un seul atome utilise un piège de Paul linéaire (voir diagramme ci-dessous) qui piège un seul atome de calcium chargé négativement. L'atome, lorsqu'il est faible en énergie, est attiré vers l'extrémité fermée des électrodes où il est introduit à une grande force électrostatique et à un laser agissant comme réservoir chaud en accélérant l'atome.

Les deux champs négatifs se repoussent, donnant de l'énergie thermique à l'atome et le propulsant vers le grand côté du moteur. L'atome est ensuite refroidi par refroidissement Doppler par un autre laser qui agit comme réservoir froid sur le grand côté du cône, le renvoyant ainsi vers l'extrémité chaude. L'atome répète ce cycle en le faisant vibrer incroyablement vite, ce qui en fait le moteur et la partie du carburant (avec une entrée laser).

Bien que l'énergie soit stockée dans le moteur, Roßnagel dit, "si vous imaginez que vous mettez un deuxième ion par le côté le plus froid, il pourrait absorber l'énergie mécanique de notre moteur, un peu comme un volant [dans un moteur de voiture]," ainsi exploiter la puissance du moteur.

Le nano moteur possède également une caractéristique qui a un effet profond, une caractéristique qui, selon Roßnagel, pourrait tellement augmenter l'efficacité, qu'elle pourrait surmonter les limitations actuelles définies par la loi de Carnot - la loi censée donner à un moteur sa plage d'efficacité maximale. Au fur et à mesure que l'atome est chauffé et refroidi, sa taille varie très légèrement, ce qui modifie la probabilité de l'emplacement de l'atome.

Étant donné que l'atome est étroitement confiné dans les électrodes, le changement de température oblige l'atome à vibrer d'avant en arrière avec les expansions et les contractions dans sa taille. La fréquence du laser qui chauffe et refroidit l'atome est adaptée à la fréquence à laquelle l'atome vibre naturellement afin d'obtenir une efficacité maximale. La taille variable des atomes donne au moteur un coup de pouce, un peu comme un compresseur lui donnant la capacité de dépasser la limite de Carnot par une large marge.

Au fur et à mesure que l'atome est chauffé et refroidi, sa taille varie très légèrement, ce qui modifie la probabilité de l'emplacement de l'atome. Puisque l'atome est étroitement confiné dans les électrodes, le changement de température force l'atome à vibrer d'avant en arrière avec les expansions et les contractions dans sa taille.

La fréquence du laser qui chauffe et refroidit l'atome est adaptée à la fréquence à laquelle l'atome vibre naturellement afin d'obtenir une efficacité maximale. La taille variable des atomes donne au moteur un coup de pouce, un peu comme un compresseur lui donnant la capacité de dépasser la limite de Carnot par une large marge. Le moteur a pu maintenir une puissance de 3,4 × 10 ^ -22 joules par seconde, ce qui est plutôt impressionnant étant donné que la masse d'un atome de calcium est de 6,3 x 10 ^ -23 grammes, un rapport incroyablement efficace.

Bien que le moteur soit impressionnant, les affirmations selon lesquelles le moteur peut «enfreindre» toutes les lois de la physique devraient faire l’objet d’un examen approfondi et d’un scepticisme. Bien que l'utilisation de la méthode de compression augmente l'efficacité du moteur, il faut prendre en considération la force requise pour créer l'effet, une force qui nécessite un travail qui consomme une partie de l'énergie.

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La technologie est impressionnante, mais la taille même des moteurs, qui nécessite une grande quantité d'espace de laboratoire, empêchera le moteur d'être vu à l'extérieur du laboratoire de si tôt. Peut-être qu'un jour, ces moteurs pourraient aider à refroidir les ordinateurs quantiques, alimenter les nanobots, ou peut-être nous donner une source d'énergie incroyablement fiable. Cependant, la technologie a encore des moyens de se développer avant de devenir utilisable comme source d'énergie.

Écrit par Maverick Baker


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