Разработка высокоэффективного теплового двигателя, способного генерировать максимальную мощность при сохранении высокой эффективности, долгое время представляла собой сложную задачу в области физики и инженерии. Практические тепловые двигатели ограничены теоретическим пределом эффективности, известным как предел Карно, который определяет максимальное количество тепла, которое можно преобразовать в полезную работу.
Однако исследователи из Индийского института науки (IISc) и Центра передовых научных исследований имени Джавахарлала Неру (JNCASR) добились прорыва и разработали новый "микротепловой двигатель," который позволил преодолеть это ограничение в лабораторных условиях. Их работа была опубликована в журнале Nature Communications.
Аджай К. Суд, профессор национальной научной кафедры кафедры физики IISc и главный научный консультант Правительства Индии, отмечает:
Мы продемонстрировали, что то, что ранее считалось невозможным, теперь стало реальностью: достижение одновременно высокой эффективности и высокой мощности.
Тепловые двигатели конвертируют тепло в работу, например, перемещая поршень в определенном направлении. Согласно теории Карно, двигатель работает с максимальной эффективностью, если при обратном процессе - когда поршень возвращается в исходное состояние - тепло не теряется. Однако это практически реализуется только в случае медленных процессов, что, в свою очередь, означает, что выходная мощность двигателя близка к нулю, что делает его малоэффективным.
Судиш Кришнамурти, один из авторов исследования и бывший аспирант кафедры физики IISc, объясняет:
С начала 2000-х годов исследователи пытались найти компромисс между эффективностью и мощностью. В 2017 году утверждалось, что разрешить эту термодинамическую загадку невозможно.
В рамках своего исследования команда создала микротепловой двигатель, имитирующий функционирование традиционного теплового двигателя в микромасштабе. Вместо смеси газа и топлива они использовали маленький коллоидный шарик и управляли его движением при помощи лазерного луча, как это происходит с поршнем в крупномасштабных двигателях.
Раджеш Ганапати, профессор JNCASR и еще один автор, добавляет:
Наш уникальный микродвигатель работает с одной частицей и имеет размеры приблизительно 1/100 человеческого волоса.
Исследователи также использовали быстро изменяющееся электрическое поле для переключения двигателя между двумя состояниями. В результате этого они смогли значительно снизить рассеивание тепла, приближаясь к эффективности, близкой к 95% от предела Карно.
Эти результаты открывают новые перспективы для разработки более эффективных устройств в будущем и могут быть шагом вперед к преодолению термодинамических ограничений, установленных Карно в предшествующих исследованиях.