Megalkották a világ legkisebb gőzgépét

A kutatók először építettek egy olyan, hővel hajtott gépet, amely csupán néhány ezred milliméter nagyságú. Gőz helyett egy vízben úszó, apró műanyag golyócska található benne. Ezt lézer segítségével felváltva felhevítik és lehűtik. A hagyományos gőzgép mozgó dugattyúját a mikroméretű gépben egy lézersugár helyettesíti, amely a műanyag golyócska mozgására reagál. „Ezzel kifejlesztettük a világ legkisebb gőzgépét, pontosabban fogalmazva a legkisebb Stirling-motort, és megállapítottuk, hogy a gép ténylegesen végez munkát” – nyilatkozta Clemens Bechinger, a stuttgarti egyetemen folyó kutatás vezetője.

A Robert Stirling által csaknem 200 évvel ezelőtt feltalált hőerőgépben egy gázzal töltött hengert felváltva felmelegítenek és lehűtenek. Ezáltal a gáz kitágul, majd újra összehúzódik. E térfogatváltozások hatására a motor dugattyúja mozogni kezd, és például meghajthat egy kereket. „Sikerült egy hőerőgép alapvető alkotórészeit, mint a munkagázt és a dugattyút, mindössze néhány mikrométeres nagyságúra lekicsinyítenünk, és ezeket aztán egy géppé összeraknunk” – magyarázta az egyik kutató.

A mikrovilágban uralkodó sajátos törvényszerűségek miatt azonban az apró motort nem lehetett pontosan a példaképe alapján megépíteni. Így a stuttgarti kísérletben a munkagáz nem számtalan molekulából áll, hanem egyetlen, kb. három mikrométer nagyságú, vízben lebegő műanyag golyócskából. A hengerben szakaszosan fel és le mozgó dugattyút a fizikusok egy fókuszált lézersugárral helyettesítették, amelynek az intenzitását periodikusan változtatják.

Ugyanúgy, mint a gőzgép kazánját, a mikroméretű gépet is kívülről melegítik. A hagyományos gőzgép széntüzelését a kutatók azonban egy további lézersugárral helyettesítették, amely a vizet és azzal együtt a műanyag golyócskát hirtelen melegíti fel, ám ezek gyorsan le is hűlnek, mihelyt a lézersugarat kikapcsolják.

A mikroméretű hőerőgép működési elve: Egy három mikrométer nagyságú, hőmérsékleti különbségek által hajtott műanyag golyócska mozog egy lézersugárban, és e mozgás révén munkát végez, hasonló módon, mint egy Stirling-motor vagy egy gőzgép dugattyúja. (© Fritz Höffeler / Art For Science)

Az, hogy a gép mikroméretben is működjön, nem volt mindenképpen várható. „A gép ugyanis annyira kicsi, hogy a mozgását olyan mikroszkopikus folyamatok zavarják, amelyek a makrovilágban nem játszanak szerepet” – magyarázta Bechinger. Hő hatására a vízmolekulák folyton kissé ide-oda mozognak, és közben összeütköznek a műanyag golyócskával. Ezért az újra meg újra energiát veszít – a gép akadozik. Annál meglepőbb, hogy a mikroméretű gép ennek ellenére átlagosan ugyanannyi energiát alakít át munkává, mint a makroszkopikus párja – nyilatkozták a kutatók. Teljes terhelés esetén ugyanakkora hatásfokkal működik, mint egy nagy Stirling-motor.

A kísérlet azt mutatja, hogy a hő átalakítása mozgási energiává alapvetően mikroméretben is működik. „Bár a gépünk jelenleg még nem végez hasznos munkát, ennek nincs termodinamikai elvi akadálya” – magyarázta Bechinger. Így alapvetően semmi nem áll a nagy hatásfokú, kisméretű hőerőgépek építése útjában.

(Max-Planck-Gesellschaft, 2011.12.13.)

Forrás: www.scinexx.de

Garamvölgyi Ágnes