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El motor más pequeño del mundo que funciona con un solo átomo

El motor más pequeño del mundo que funciona con un solo átomo

Doctor. El estudiante Johannes Roßnagel, en colaboración con otros físicos e ingenieros, creó recientemente el motor más pequeño del mundo que funciona con un solo átomo que puede tener el potencial de convertirse en el motor más eficiente jamás creado.

La termodinámica tradicional se desarrolló en una era en la que los motores típicos pesaban más de una tonelada. Sin embargo, a medida que los efectos cuánticos se comprenden mejor, las conocidas limitaciones que gobiernan los motores típicos pueden ser superadas por motores increíblemente pequeños donde los límites ya no se aplican.

Un artículo publicado en Physical Review Letters discutió en 2014 un nanomotor que podría tener una eficiencia mayor en al menos un factor cuatro más que el límite clásico de Carnot que rige los motores térmicos convencionales. Los científicos afirmaron que "se alcanza la eficiencia a la potencia máxima de hasta un factor de 4, superando ampliamente el límite de Carnot". Sin embargo, recientemente el motor se ha convertido en una realidad, estableciéndolo como el motor más pequeño del mundo jamás creado al crear un motor que funciona con un solo átomo.

El límite de Carnot determina el límite de la eficiencia máxima (producción de trabajo dividida por la producción de calor) para un motor de combustión interna impulsado por dos diferencias de temperatura entre dos depósitos térmicos diseñados para mantener el equilibrio térmico. Un motor térmico utiliza energía térmica (combustión) que se convierte en trabajo mecánico (movimiento) y generalmente se crea mediante la combustión de una gran cantidad de partículas (como queroseno, diesel, gas u otros combustibles).

El motor térmico experimental de un solo átomo utiliza una trampa de Paul lineal (ver diagrama a continuación) que atrapa un solo átomo de calcio con carga negativa. El átomo, cuando tiene poca energía, es atraído por el extremo cerrado de los electrodos donde se introduce una gran fuerza electrostática y un láser que actúa como depósito caliente al acelerar el átomo.

Los dos campos negativos se repelen entre sí, lo que le da energía térmica al átomo y lo impulsa hacia el lado grande del motor. Luego, el átomo se enfría a través de enfriamiento Doppler por otro láser que actúa como depósito frío en el lado grande del cono, por lo que lo envía disparado hacia el extremo caliente. El átomo repite este ciclo haciendo que vibre increíblemente rápido, convirtiéndolo en el motor y la parte del combustible (con alguna entrada de láser).

Aunque la energía se almacena dentro del motor, dice Roßnagel, "si imagina que coloca un segundo ión en el lado más frío, podría absorber la energía mecánica de nuestro motor, de forma muy similar a un volante [en el motor de un automóvil]", por lo tanto aprovechar la potencia del motor.

El nano motor también posee una característica que tiene un efecto profundo, uno que, según Roßnagel, podría aumentar tanto la eficiencia, podría superar las limitaciones actuales definidas por la ley de Carnot, la ley que se supone que le da a un motor su rango de eficiencia máxima. A medida que el átomo se calienta y se enfría, su tamaño varía ligeramente, lo que altera la probabilidad de que exista el átomo.

Dado que el átomo está estrechamente confinado dentro de los electrodos, el cambio de temperatura obliga al átomo a vibrar hacia adelante y hacia atrás con las expansiones y contracciones de su tamaño. La frecuencia del láser que calienta y enfría el átomo se adapta a la frecuencia a la que el átomo vibra naturalmente para lograr la máxima eficiencia. Los átomos de tamaño variable le dan al motor un impulso, muy parecido a un sobrealimentador que le da la capacidad de superar el límite de Carnot por un gran margen.

A medida que el átomo se calienta y se enfría, su tamaño varía ligeramente, lo que altera la probabilidad de que exista el átomo. Dado que el átomo está estrechamente confinado dentro de los electrodos, el cambio de temperatura obliga al átomo a vibrar hacia adelante y hacia atrás con las expansiones y contracciones de su tamaño.

La frecuencia del láser que calienta y enfría el átomo se adapta a la frecuencia a la que el átomo vibra naturalmente para lograr la máxima eficiencia. Los átomos de tamaño variable le dan al motor un impulso, muy parecido a un sobrealimentador que le da la capacidad de superar el límite de Carnot por un gran margen. El motor fue capaz de mantener una potencia de salida de 3,4 × 10 ^ -22 julios por segundo, lo que es bastante impresionante dado que la masa de un átomo de calcio es de 6,3 x 10 ^ -23 gramos, una relación increíblemente eficiente.

Aunque el motor es impresionante, las afirmaciones de que el motor puede "romper" cualquier ley de la física deberían recibir un escrutinio y escepticismo intensos. Aunque el uso del método de compresión aumenta la eficiencia del motor, se debe tener en cuenta la fuerza requerida para crear el efecto, una fuerza que requiere una entrada de trabajo que consume parte de la energía.

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La tecnología es impresionante, pero el tamaño de los motores por sí solo, que requiere una gran cantidad de espacio de laboratorio, impedirá que el motor sea visto fuera del laboratorio en el corto plazo. Quizás algún día estos motores podrían ayudar a enfriar las computadoras cuánticas, impulsar los nanobots o tal vez darnos una fuente de energía increíblemente confiable. Sin embargo, la tecnología aún tiene formas de desarrollarse antes de que se pueda utilizar como fuente de energía.

Escrito por Maverick Baker

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