أعلن فريق من الباحثين عن تطوير محرك حراري ميكروسكوبي جديد يمكنه الوصول إلى كفاءة تصل إلى 100% هذه الخطوة تعد غير مسبوقة وتتناقض مع المبدأ الكلاسيكي المعروف بكفاءة كارنو الذي تم وضعه قبل حوالي 200 عام، هذا الإنجاز يسجل نقطة تحول في فهمنا لكيفية تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة مفيدة.

المحرك المبتكر الذي يحمل اسم “كارنو المقامر” يعتمد على استغلال الحركة العشوائية للجسيمات الحرارية، يتضمن النظام تدخلًا لحظيًا مشابهًا لفكرة “شيطان ماكسويل” الشهيرة في الفيزياء، هذا التدخل يعمل على فرز الجسيمات بدقة مما يؤدي إلى زيادة كفاءة التحويل بشكل ملحوظ.

آلية العمل

تقوم آلية العمل للمحرك بمراقبة جسيم صغير محاصر بواسطة أشعة الليزر، عندما يعود الجسيم إلى مركز المصيدة يتدخل المحرك في اللحظة المناسبة، هذه الديناميكية تسمح بإكمال شوط الضغط بطاقة شبه معدومة، مما يحقق تحويل الحرارة الم absorbed إلى شغل دون أي فاقد تقريبًا.

ثغرة في القوانين الكلاسيكية

بشكل عام، القوانين التقليدية للديناميكا الحرارية تشير إلى أن كفاءة أي محرك لا يمكن أن تتجاوز القيم المحددة في معادلة كارنو والتي تعتمد على فروق درجات الحرارة، لذا يعتبر فقد الحرارة عند تحويل الطاقة ظاهرة حتمية، لكن في النطاق الميكروسكوبي اكتشف الباحثون طريقة للتغلب على هذه القيود بواسطة التغذية الراجعة الذكية.

يشير العلماء إلى أن تكلفة معالجة المعلومات الضرورية لتشغيل النظام تؤثر على الكفاءة النهائية وتعيدها لتتناسب مع قانون كارنو الأصلي، هذا يشير إلى ضرورة فهم العوامل المحيطة بنظام الطاقة.

شرح مبسط

بعبارة بسيطة، القاعدة الفيزيائية التقليدية توضح أن أي آلة تحول الحرارة إلى طاقة لا يمكن أن تصل إلى كفاءة كاملة بسبب الفاقد الطبيعي، الجديد هو أن العلماء قاموا برصد جسيم دقيق واستغلال اللحظة المناسبة لاستخراج شغل منه دون هدر، النظري يبدو كفاءة 100% لكن عند احتساب تكلفة المراقبة تظل القوانين القائم عليها الديناميكا الحرارية كما هي.

تطبيقات مستقبلية

يرى الباحثون أن هذه التقنية يمكن أن تمهد الطريق لاستغلال الحرارة المهدرة على مستوى النانو، مما يفتح إمكانية استخدامها في الإلكترونيات الدقيقة والأجهزة الكمية وحتى المجسات الفضائية الصغيرة، اعتماد التجربة على معايير مستخدمة في أبحاث الملاقط البصرية يعزز من فرص تطبيقها العملي في المستقبل القريب.