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하나의 원자로 작동하는 세계에서 가장 작은 엔진

하나의 원자로 작동하는 세계에서 가장 작은 엔진

박사 학생 Johannes Roßnagel은 다른 물리학 자 및 엔지니어와 협력하여 최근에 가장 효율적인 엔진이 될 가능성이있는 단 하나의 원자로 작동하는 세계에서 가장 작은 엔진을 만들었습니다.

전통적인 열역학은 일반적인 엔진의 무게가 1 톤이 넘는 시대에 개발되었습니다. 그러나 양자 효과가 더 잘 이해됨에 따라 일반적인 엔진을 지배하는 잘 알려진 한계는 한계가 더 이상 적용되지 않는 엄청나게 작은 엔진으로 초과 될 수 있습니다.

2014 년 Physical Review Letters에 발표 된 논문은 기존 열 엔진을 관리하는 고전적인 Carnot 한계보다 적어도 4 배 더 높은 효율을 가질 수있는 나노 엔진에 대해 논의했습니다. 과학자들은 "최대 전력의 효율이 4 배까지 도달하여 카르노 경계를 크게 초과한다"고 주장했습니다. 그러나 최근 엔진이 현실이되었으며, 단 하나의 원자만으로 작동하는 엔진을 만들어 세계에서 가장 작은 엔진으로 자리 매김했습니다.

Carnot 한계는 열 평형을 유지하도록 설계된 두 개의 열 저장소 사이의 두 가지 온도 차이에 의해 구동되는 내연 기관의 최대 효율 한계 (작업 출력을 열 출력으로 나눈 값)를 결정합니다. 열 엔진은 열 에너지 (연소)를 사용하며, 이는 기계적 작업 (운동)으로 변환되며 일반적으로 많은 수의 입자 (예 : 등유, 디젤, 가스 또는 기타 가연성 물질)의 연소에 의해 생성됩니다.

실험적인 단일 원자 열 엔진은 단일 음전하를 띤 칼슘 원자를 가두는 선형 폴 트랩 (아래 그림 참조)을 사용합니다. 에너지가 낮을 때 원자는 큰 정전기력과 원자를 가속하여 뜨거운 저장고 역할을하는 레이저에 도입되는 전극의 닫힌 끝으로 끌립니다.

두 음의 장은 서로를 밀어내어 원자에 열 에너지를주고 엔진의 넓은면으로 밀어냅니다. 그런 다음 원자는 원뿔의 큰면에서 차가운 저장소 역할을하는 또 다른 레이저에 의해 도플러 냉각을 통해 냉각되어 뜨거운 끝쪽으로 다시 발사됩니다. 원자는이주기를 반복하여 매우 빠르게 진동하여 엔진과 연료의 일부가됩니다 (레이저 입력 포함).

에너지는 엔진 내부에 저장되지만 Roßnagel은 "냉각기쪽에 두 번째 이온을 넣는 것을 상상하면 [자동차 엔진의] 플라이휠처럼 엔진의 기계적 에너지를 흡수 할 수 있습니다."라고 말합니다. 엔진의 힘을 활용합니다.

나노 엔진은 또한 강력한 효과를 갖는 기능을 가지고 있습니다. Roßnagel은 효율성을 크게 높일 수 있으며, 엔진에 최대 효율 범위를 부여하는 법칙 인 카르노의 법칙에 정의 된 현재 한계를 극복 할 수 있다고 주장합니다. 원자가 가열되고 냉각됨에 따라 그 크기는 원자가 존재하는 확률을 조금씩 변화시킵니다.

원자는 전극 내에 단단히 갇혀 있기 때문에 온도 변화는 원자가 크기의 팽창과 수축과 함께 앞뒤로 진동하도록합니다. 원자를 가열하고 냉각하는 레이저의 주파수는 최대 효율을 달성하기 위해 원자가 자연적으로 진동하는 주파수와 일치합니다. 다양한 크기의 원자는 엔진에 부스트를 제공합니다. 마치 수퍼 차저처럼 Carnot Limit를 크게 초과 할 수있는 능력을 제공합니다.

원자가 가열되고 냉각됨에 따라 그 크기는 원자가 존재하는 확률을 조금씩 변화시킵니다. 원자는 전극 내에 단단히 갇혀 있기 때문에 온도 변화는 원자가 크기의 팽창과 수축과 함께 앞뒤로 진동하도록합니다.

원자를 가열하고 냉각하는 레이저의 주파수는 최대 효율을 달성하기 위해 원자가 자연적으로 진동하는 주파수와 일치합니다. 다양한 크기의 원자는 엔진에 부스트를 제공합니다. 마치 수퍼 차저처럼 Carnot Limit를 크게 초과 할 수있는 능력을 제공합니다. 엔진은 초당 3.4 × 10 ^ -22 줄의 출력을 유지할 수 있었는데, 이는 하나의 칼슘 원자의 질량이 6.3 x 10 ^ -23g으로 매우 효율적인 비율이라는 점을 감안할 때 다소 인상적입니다.

엔진이 인상적이지만, 엔진이 모든 물리 법칙을 "파괴"할 수 있다는 주장은 철저한 조사와 회의를 받아야합니다. 스 퀴징 방법을 사용하면 엔진의 효율이 증가하지만 효과를 생성하는 데 필요한 힘, 즉 일부 에너지를 사용하는 작업 입력이 필요한 힘을 고려해야합니다.

다음 사항도 참조 : GE는 세계에서 가장 큰 제트 엔진을 테스트합니다.

이 기술은 인상적이지만 많은 실험실 공간을 필요로하는 엔진 크기만으로는 조만간 실험실 외부에서 엔진이 보이지 않게됩니다. 아마도 언젠가 이러한 엔진이 양자 컴퓨터를 식히거나 나노봇에 전력을 공급하거나 믿을 수 없을 정도로 안정적인 에너지 원을 제공 할 수 있습니다. 그러나이 기술은 에너지 원으로 사용할 수있게되기 전에 아직 개발할 방법이 아직 남아 있습니다.

Maverick Baker 작성


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