20/05/2016
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van de werkgroep Quantum aan het Institut für Physik aan de Johannes Gutenberg-Universität in Mainz hebben een nieuw soort warmte-kracht-machine ontwikkeld die werkt met slechts één atoom.
Sinds de industriële revolutie spelen warmte-kracht-machines een belangrijke rol in onze maatschappij. Ze zetten thermische om in mechanische arbeid (bijvoorbeeld in voertuigen) en zijn net meer weg te denken uit het moderne leven. Tegelijkertijd leidt miniaturisering tot steeds kleinere apparaten.
Atoomval
De wetenschappers gebruiken een zogeheten atoomval om een afzonderlijk calcium-ion op te slaan. Om hun motor te maken, sloten de onderzoekers het ion (een calciumatoo waarvan één electron was verwijderd) op in een 9 mm lange trechtervormige elektrische val die wordt gevormd door vier elektrodes. Ze verhitten het ion vervolgens met ruis die wordt gegenereerd door een andere set elektrodes. De ruis, een willekeurig flucturerend elektrisch veld, brengt energie over naar het ion, waardoor het heen en weer gaat bewegen binnen in de val. Hierbij beweegt het zich naar het brede uiteinde van de trechter en maakt aldus de vermogensslag.
Vervolgens wordt de ruis uitgeschakeld en vertraagt het ion. Het koelt af door het botsen met lichtdeeltjes van een laserstraal die constant door de trechtervormige val is gericht. Het koelend vermogen dwingt het ion terug naar het nauwe uiteinde van de val, waar het elektrische veld het sterkst is, waarna de cyclus opnieuw begint. Hiermee doorloopt het atoom een thermodynamisch kringproces, vergelijkbaar met dat van een cilinder in een klassieke motor. Het opgewekte vermogen wordt opgezet in een trilling van het atoom. Hierdoor speelt het atoom zowel de rol van motor als van energieopslag.De motor is ontwikkeld in samenwerking met theoretisch-fysici van de Universität Erlangen-Nürnberg.
Rendement
Uit uitvoerige metingen konden de fysici het thermodynamisch gedrag van de motor karakteriseren. De onderzoekers hebben berekend dat de éénatomige motor een vermogen heeft van 10-22 Watt en een rendement van 0,3 %. Betrekt men het vermogen van de éénatomige machine op de geringe massa van het atoom, dan is zijn vermogen vergelijkbaar met dat van een automotor. Door de omkering van het kringproces kunnen de onderzoekers de machines kateb draaien als éénatomige koelkast en daarmee gekoppelde nanosystemen koelen.
Bijzonder belangrijk aan dit onderzoek is echter, dat het realiseren van zo’n nanometer een blik in de thermodynamica van afzonderlijke deeltjes mogelijk maakt, een zeer actueel onderzoeksgebied. In de toekomst willen de wetenschappers de bedrijfstemperatuur verder naar beneden brengen en thermodynamische quantumeffecten bestuderen. Theoretisch werk heeft aangtoond dat het vermogen van een warmte-kracht-machine door koppeling aan een kwantumbad te verhogen. Aldus ontstaat een veelheid aan mogelijkheden die boven de paradigma’s van de klassieke thermdynamica uitgaan en die het bouwen van nieuwe soorten motoren binnen bereik brengen.
(Foto: Arbeitsgruppe Quantum, Johannes-Gutenberg-Universität)