Egy tudóscsoport állítása szerint olyan motort fejlesztett ki, amely megtöri a termodinamika törvényeinek több mint két évszázados értelmezését, amelyek Isaac Newton ideje óta irányítják a fizikát. A motor neve „Gambling Carnot Engine” – ami szó szerint fordítva „Carnot véletlenszerű motorja” – és a tanulmány vezető kutatója szerint, amely a tekintélyes tudományos folyóiratban, a Physical Review Letters-ben jelent meg, a mikroszkopikus léptékű fizikai folyamatok működésének köszönhetően 100%-os hatékonyságot ér el anélkül, hogy megsértené a termodinamika második törvényét.
Roldán szerint a „gambling” kifejezés azért szerepel a névben, mert hasonlít ahhoz, ahogyan az emberek blackjacket játszanak: valós időben hoznak döntéseket, a véletlentől és a rendszer állapotától függően, hogy maximalizálják a nyereséget. „A motor a véletlent használja, mint egy kártyajátékban, de mindig szigorú kritériumokat és valós idejű visszacsatolási intézkedéseket követve” – magyarázza Roldán az Abdus Salam Nemzetközi Elméleti Fizikai Központból kiadványnak.
Természetes hőingadozások
A fejlesztés kulcsa, hogy a motor nem gőzzel vagy nagy dugattyúkkal működik, hanem egy apró műanyag részecskével, amelyet vízben lebegtetnek, és lézersugarakkal mozgatnak. A klasszikus motorokkal ellentétben a Gambling Carnot Engine kihasználja a természetes hőingadozásokat, amelyek a mikroszkopikus részecskék véletlenszerű mozgását okozzák. A rendszer folyamatosan figyeli a részecske helyzetét, és amikor bekövetkezik a megfelelő esemény – a részecske egy határidő előtt áthalad a lézercsapda közepén –, a ciklus automatikusan átugrik a következő fázisra, lehetővé téve a munkavégzést további energiaköltségek nélkül.
Ez a véletlenszerűség kihasználása Maxwell paradoxonján alapul, egy „démon” vagy külső vezérlő segítségével. A gép kiválaszthatja a beavatkozás optimális pillanatát, pontosan úgy, ahogy a blackjack játékos kiválasztja, mikor áll meg vagy kér kártyát, hogy minden kézzel többet nyerjen. Az eredmény az, hogy nagyon lassú ciklusok határán és a rendszer megfelelő ellenőrzése mellett a motor az összes elnyelt hőenergiát hasznos munkává alakítja, elérve a elméleti 100%-os hatékonyságot.
A trükk azonban abban rejlik, hogyan mérik a hatékonyságot. Roldán és csapata elmagyarázza, hogy rendszerük tiszteletben tartja a klasszikus fizika törvényeit, és csak a szigorúan termikus folyamatot tekintve, a szükséges információk feldolgozásának költségeit nem számítva, lehet túllépni a híres Carnot-határon. „Ha a számításhoz hozzáadjuk az összes összegyűjtött információ törlésének vagy feldolgozásának költségét, akkor a teljes teljesítmény ismét tiszteletben tartja a klasszikus határokat” – mutat rá a kutató.
Mikroszkopikus méret
Gyakorlati szempontból ez a technológia egyelőre mikroszkopikus méretű alkalmazásokra korlátozódik, mint például nanogépek vagy apró motorok létrehozása laboratóriumokban és az orvostudományban. De az a tény, hogy a kísérleteket és szimulációkat valós paraméterekkel végezték, arra utal, hogy hamarosan működőképes prototípusokat láthatunk. A szerzők szerint a fő kihívás az lesz, hogy olyan érzékelő és vezérlő rendszereket fejlesszenek ki, amelyek 100 000 mérési ciklus/másodpercnél nagyobb frekvencián működnek, hogy az optimális stratégiát alkalmazhassák.
Ha ez a paradigma laboratóriumi körülmények között is beigazolódik, akkor a mikroszkopikus rendezetlenséget jobban kihasználó motorok vagy generátorok megjelenése forradalmasíthatja a nanoszkálájú eszközök hatékonyságát, a biomedicinális rendszerektől az intelligens érzékelőkig. „Ötleteink egy koncepció bizonyítékai. De egy új generációs, hatékony nanogépek felé mutatnak, amelyek meghaladják a klasszikus határokat, és inspirálnak olyan reális terveket, amelyek korábban lehetetlennek tűntek” – zárja Roldán.
