Немецкие физики разработали самый маленький паровой двигатель

Источник материала:

Физики из Университета Штутгарта разработали самый маленький двигатель Стирлинга в мире. В обычном тепловом двигателе газ расширяется и сжимается при перепаде температур, приводя в движение поршень в цилиндре. Немецким физикам удалось создать аналогичную систему на основе микроскопического пластикового шарика, размещенного в фокусе лазерного луча.

Обычно технология, которая хорошо работает в крупных установках, сталкивается с неожиданными проблемам при изготовлении ее микроскопической копии. Это связано с тем, что в макро- и микромире действуют различные физические законы. Однако некоторые физические процессы удивительно похожи в больших и малых масштабах.
Так произошло и с разработкой немецких ученых: они собрали микроскопический двигатель Стирлинга, и он заработал. На самом деле ученые сомневались, что микродвигатель заработает, поскольку движение микроскопических деталей могло нарушиться процессами, которые не имеют значения в макромире. Более того, законы микромира с большой вероятностью делали работу микроскопической копии двигателя Стирлинга невозможной.

Микроскопический двигатель Стирлинга доказывает возможность копирования больших машин в микромасштабе

Свой тепловой двигатель Роберт Стирлинг изобрел почти 200 лет назад. Двигатель имеет простую конструкцию: цилиндр, наполненный газом, периодически нагревается и охлаждается, в результате газ расширяется/сжимается и приводит в движение поршень.

Немецкие физики успешно уменьшили размер основных частей теплового двигателя до размера в несколько микрометров, а затем собрали из этих деталей работающий двигатель.

Рабочее тело микродвигателя состоит не из молекул газа, а из крошечного пластикового шарика диаметром 3 микрометра, плавающего в воде. Шарик в 10 тыс. раз больше атомов, благодаря этому исследователи могут наблюдать его движения в микроскоп.

В микроскопическом двигателе поршень заменили сфокусированным лазерным лучом, интенсивность которого периодически меняется. Лазерный луч ограничивает движение шарика в процессе нагрева всей системы, выполняя роль компрессии в обычном двигателе Стирлинга.

Пока у микродвигателя масса недостатков. В частности, иногда он вырабатывает столько же механической энергии, сколько и хаотичное движение молекул воды в процессе нагревания. Из-за этого обмена энергией шарика с окружающей средой (водой) двигатель часто "глохнет". В макромасштабных двигателях, работающих с энергией на приблизительно 20 порядков большей, эти столкновения мельчайших частиц не имеют значения.

Поэтому пока практическое применение микроскопического двигателя Стирлинга не предвидится, однако эксперименты немецких физиков дают понимание энергетического баланса теплового двигателя микроскопических размеров. В будущем это может помочь создать эффективные и мощные энергоустановки для микромашин.