Ученые создали самый маленький тепловой двигатель, состоящий из единственного атома - «Наука и технологии»

Тепловые двигатели являются одним из самых распространенных типов двигателей в настоящее время. Эти двигатели вращают турбины генераторов тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания заставляют двигаться наши автомобили, турбореактивные двигатели позволяют самолетам летать в небе, а ракетные двигатели поднимают космические аппараты в открытое космическое пространство. В большинстве своем тепловые двигатели, за редкими исключениями, имеют большие габариты и вес, который может измеряться сотнями, тысячами и десятками тысяч килограмм. И в течение каждого своего рабочего цикла такие двигатели то нагревают, то охлаждают триллионы триллионов молекул рабочего вещества, тепловая энергия которого превращается в энергию механического движения. А недавно, ученые-физики из Германии создали то, что можно назвать самым маленьким тепловым двигателем в мире. Ведь в нем использована лишь единственная крошечная частица - ион кальция.

Этот атомарный тепловой двигатель имеет слишком малую мощность для того, чтобы заставить двигаться что-либо, различимое глазом человека. Но, согласно Джейкобу Тэйлору, физику из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), "такой атомарный двигатель может использоваться при проведении исследований в области статической физики, в области перемещения тепловых потоков и в микроскопических микроэлектромеханических системах".

Любой тепловой двигатель служит для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию механического движения. Это достигается за счет перемещения тепла от более горячих частей, к более холодным, или теплового расширения рабочего тела, что, к примеру, толкает поршень в двигателях внутреннего сгорания. В качестве рабочего тела и одновременно поршня атомарного теплового двигателя, созданного германскими учеными, используется ион кальция. Источником энергии этого двигателя является электромагнитный шумовой сигнал, а при помощи луча лазерного света создается область с низкой температурой.

Ион кальция (атом с одним искусственно удаленным электроном) помещен в воронкообразную электрическую ловушку, длиной в 8 миллиметров, создаваемую потенциалом, приложенным к четырем электродам. Ион нагревается при помощи шумового электромагнитного сигнала, излучаемого еще четырьмя электродами, выступающими в роли своего рода антенн. Воздействие энергии шумового сигнала заставляет атом кальция колебаться с большей амплитудой и он перемещается в строну более широкого конца ловушки. После отключения источника сигнала атом под воздействием луча лазерного света начинает охлаждаться, амплитуда его колебаний постепенно уменьшается и он снова перемещается к "узкой" стороне ловушки, где электрическое поле имеет самую высокую напряженность. И этот цикл повторяется снова, заставляя ион совершать периодические перемещения.