Ο σχεδιασμός ενός θερμικού κινητήρα ικανού να παράγει τη μέγιστη ισχύ, διατηρώντας παράλληλα τη μέγιστη απόδοση, έχει αποτελέσει εδώ και καιρό σημαντική πρόκληση για τη φυσική και τη μηχανική.Οι πρακτικοί θερμικοί κινητήρες περιορίζονται από ένα θεωρητικό όριο στην απόδοσή τους, γνωστό ως το όριο Carnot, που θέτει ένα όριο στο πόση θερμότητα μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη εργασία.
Σε μια σημαντική ανακάλυψη, οι ερευνητές στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστήμης (IISc) και το Κέντρο Jawaharlal Nehru για την Προηγμένη Επιστημονική Έρευνα (JNCASR) έχουν δημιουργήσει ένα νέο “μικροθερμικό κινητήρα” που έχει ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό σε εργαστηριακό επίπεδο. Η μελέτη δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature Communications.
Ο αντίστοιχος συγγραφέας Ajay K Sood, Εθνικός Καθηγητής Επιστήμης στο Τμήμα Φυσικής του IISc και Κύριος Επιστημονικός Σύμβουλος της Κυβέρνησης της Ινδίας, δηλώνει: “Αυτό που θεωρείτο αδύνατο μέχρι σήμερα, έχουμε δείξει ότι είναι δυνατό: να επιτευχθούν ταυτόχρονα τόσο υψηλή απόδοση όσο και υψηλή ισχύς.”
Οι θερμικοί κινητήρες μετατρέπουν τη θερμότητα σε εργασία – για παράδειγμα, μετακινούν έναν εμβόλο σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Για έναν κινητήρα να είναι 100% αποτελεσματικός, όταν η διαδικασία αντιστρέφεται – ο εμβολέας επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση – δεν πρέπει να υπάρχει απώλεια θερμότητας, όπως προτάθηκε από τον γάλλο φυσικό Sadi Carnot το 1824. Αυτό είναι θεωρητικά δυνατό μόνο αν η διαδικασία λαμβάνει χώρα εξαιρετικά αργά, αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι η ισχύς εξόδου θα είναι μηδέν, καθιστώντας τον κινητήρα πρακτικά άχρηστο. Αυτό είναι γνωστό ως ο συμβιβασμός ανάμεσα στην ισχύ και την απόδοση.
Στην παρούσα μελέτη, η ομάδα προσομοίωσε τη λειτουργία ενός συμβατικού θερμικού κινητήρα σε μικροκλίμακα. Αντί να χρησιμοποιήσουν ένα μείγμα αερίου και καυσίμου, πήραν ένα μικρό σφαιρικό κολλώδες χάντρα και χρησιμοποίησαν έναν λέιζερ για να καθοδηγήσουν την κίνησή της, παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο εμβολέας σε έναν μακροσκοπικό κινητήρα.
“Ο μοναδικός μας μικροκλιμακικός κινητήρας λειτουργεί μόνο με ένα σωματίδιο,” δηλώνει ο Rajesh Ganapathy, καθηγητής στο JNCASR και άλλος συγγραφέας. Το μέγεθος του κινητήρα είναι πολύ μικρό, περίπου 1/100 του πλάτους ενός ανθρώπινου τριχώματος.
Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης ένα γρήγορα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο για να κυκλώσει τον κινητήρα μεταξύ δύο καταστάσεων. Σε αυτές τις συνθήκες, παρατηρήθηκε ότι η απώλεια θερμότητας μειώθηκε δραστικά, φέρνοντας την απόδοση κοντά στο 95% του ορίου που καθορίζεται από το Carnot.
Η έρευνα αυτή ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη περισσότερων ενεργειακά αποδοτικών συσκευών στο μέλλον.
