Немецкие инженеры создали самый маленький в мире паровой двигатель, доказав работоспособность законов термодинамики как на макро-, так и на микромасштабах.
Решить столь непростую прикладную задачу оказалось под силу ученым из Университета Штутгарта и Института физики сложных систем Общества Макса Планка. Технологии и приемы, которые работают при создании макроскопических машин, могут не срабатывать при конструировании аналогичных устройств на микроуровне. Команде ученых под руководством Клеменса Бечингера (Clemens Bechinger) удалось обойти эти трудности, реализовав в миниатюрной машине принципы, работающие во всех тепловых машинах.
«Мы создали самый маленьких в мире паровой двигатель, если точнее – двигатель Стирлинга, и поняли, что машина действительно выполняет работу», - пояснил Бечингер.
Двигатель Стирлинга - это типичный представитель двигателей внешнего сгорания, в котором жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме. В тепловой машине, разработанной почти 200 лет назад Робертом Стирлингом, помещенный в цилиндр газ, охлаждаясь и нагреваясь, то сжимается, то расширяется. Это заставляет находящийся над ним поршень совершать работу, например, вращать колесо.
Штутгартские левши
«Мы успешно уменьшили размер основных частей двигателя, таких как рабочий газ и поршень, до размеров в несколько микрон, и собрали из них машину», - пояснил соавтор работы Валентин Бликл (Valentin Blickle). Вместо пара рабочим телом в штутгартской тепловой машине стал один единственный пластиковый шарик диаметром три микрометра, который свободно плавает в воде. Так как эта частица в десятки тысяч раз больше размера атома, она участвует в броуновском движении, ученые могут наблюдать за ее поведением в микроскоп. Поршень, благодаря которому в паровых двигателях рабочее тело совершает работу, инженеры заменили на сфокусированный луч лазера, мощность которого можно менять. Воздействие лазера управляет колебаниями шарика подобно тому, как поршень сжимает газ в цилиндре или увеличивает его объем. Источником тепла в машине служит другой лазерный пучок, который нагревает воду с шариком.
«Наши эксперименты позволили взглянуть по-новому на превращение тепловой энергии в механическую на микроскопическом уровне, и открыли путь к проектированию микромеханических машин будущего», - пояснили создатели двигателя в статье, опубликованной в Nature Physics.
