מנוע הקיטור הזעיר ביותר בעולם

 

מנוע הקיטור הזעיר ביותר בעולם

מאת דר. משה נחמני

חוקרים גרמניים הצליחו לפענח כעת כיצד מנועים מיקרומטריים פועלים. הממצאים שלהם יוכלו לסייע בפיתוח של מנועי קיטור זעירים במיוחד ויעילים מאוד

חוקרים גרמניים ממכון מקס פלאנק הצליחו לפענח כעת כיצד מנועים מיקרומטריים פועלים. הממצאים שלהם יוכלו לסייע בפיתוח של מנועי קיטור זעירים במיוחד ויעילים מאוד.
 
טכנולוגיה הפועלת בקנה-מידה גדול עלולה לעורר בעיות בלתי-צפויות בקנה-מידה קטן, ואלו עשויות להיות מהותיות מטבען. זאת בעקבות העובדה כי חוקים שונים שולטים על העולם המיקרוסקופי והמקרוסקופי. למרות החוקים השונים, תהליכים פיסיקליים מסוימים דומים באופן מפתיע גם בקנה-מידה זעיר וגם גדול. חוקרים מאוניברסיטת שטוטגארט וממכון המחקר ע"ש מקס פלנק גילו עתה את אחד מגורמי הדמיון הללו.

 
"פיתחנו את מנוע הקיטור הקטן ביותר בעולם וגילינו כי המכונה הזו אכן מבצעת עבודה," אמר החוקר הראשי. "ממצא זה לא היה צפוי בהכרח מאחר והמכונה כה קטנה עד כי התנועה שלה מעוכבת ע"י תהליכים מיקרוסקופיים שכלל אינם נלקחים בחשבון בעולם המקרוסקופי." ההפרעות הללו גורמות למיקרו-מכונה לפעול באופן בלתי-עדין.
 החוקים של העולם המקרוסקופי מכתיבים כי החוקרים לא יכולים לבנות מנוע זעיר בהתאם לשרטוט של מנוע בגודל רגיל. במנוע חום, שהומצא לפני כמאתיים שנים ע"י רוברט סטירלינג, גליל הממולא בגז מחומם ומקורר באופן מחזורי כך שהגז מתפשט ומתכווץ שוב ושוב. מערכת זו מאפשרת לבוכנה לבצע פעולה שבאמצעותה ניתן להניע גלגל, כדוגמה.
 
"הצלחנו למזער את הגודל של הרכיבים ההכרחיים במנוע חום, כגון הבוכנה, לכדי מיקרומטרים אחדים בלבד ואז הרכבנו אותם לקבלת מכונה," אומר אחד מהחוקרים. הגז הפועל במערכת החדשה אינו מורכב עכשיו מאינספור מולקולות, אלא מחרוז פלסטיק מסוג יחיד שגודלו שלושה מיקרומטרים בלבד הצף ע"ג מים. מאחר והחלקיק גדול פי 10000 מאשר אטום יחיד, החוקרים מסוגלים לצפות ישירות בתנועתו בעזרת מיקרוסקופ.
 הפיסיקאים החליפו את הבוכנה, אשר נעה מעלה ומטה באופן מחזורי בתוך הגליל, באלומת לייזר ממוקדת אשר עוצמתה משתנה באופן מחזורי. הכוחות האופטיים של הלייזר מגבילים את התנועה של חלקיק הפלסטיק, בדומה להתפשטות ולהתכווצות של הגז בגליל של מנוע חום רגיל. אז, החלקיק מבצע עבודה על שדה הלייזר האופטי. בכדי שהתרומות לעבודה לא יקזזו זו את זו במהלך ההתפשטות וההתכווצות, שלבים אלו צריכים להתבצע בטמפרטורות שונות. זאת נעשה באמצעות חימום המערכת מבחוץ במהלך תהליך ההתפשטות, בדיוק כפי שנעשה ע"י הבוילר של מנוע קיטור. את החום הנוצר במנוע הקיטור שמקורו בשריפת פחם החליפו החוקרים באלומת לייזר נוספת המחממת את המים באופן מידי, ויחד עם זאת מאפשרת להם להתקרר מרגע שפעילותה מופסקת.
 
הסיבה שהמכונה של החוקרים הגרמניים נעה בחוסר עידון היא נוכחות מולקולות המים העוטפות את חרוז הפלסטיק. מולקולות המים נמצאות בתנועה מתמדת בשל הטמפרטורה שלהם והן מתנגשות ללא הרף במיקרו-חלקיק. בהתנגשויות אקראיות אלו, חלקיק הפלסטיק מעביר אנרגיה באופן קבוע לסביבה שלו באותו סדר גודל שבו המיקרו-מכונה ממירה אנרגיה לכדי עבודה. "תוצאה זו משמעותה כי כמות האנרגיה המתקבלת משתנה משמעותית ממחזור למחזור, ואפילו גורמת למכונה להיות מושבתת מפעילותה במקרה הקיצוני," מסביר אחד מהחוקרים. מאחר ומכונות מקרוסקופיות ממירות אנרגיה בכעשרים סדרי גודל יותר, אנרגיות ההתנגשויות הזעירות של החלקיקים הקטנים ביותר המתרחשות בתוכה אינן חשובות.
 
הפיסיקאים מופתעים על אחת כמה וכמה שהמכונה ממירה כה הרבה אנרגיה בכל מחזור שלה, בממוצע, למרות האנרגיה המשתנה, ואפילו פועלת באותה רמת היעילות כשל מקבילתה המקרוסקופית בעומס מלא. "הניסויים שלנו מספקים לנו תובנה ראשונית לגביי מאזן האנרגיה של מנוע חום הפועל בממדים מיקרוסקופיים. למרות שהמכונה שלנו אינה מספקת כל עבודה שימושית כרגע, בעיקרון אין כל מניעה תרמודינמית המונעת ממנה לעשות כן בממדים קטנים אלו," מסביר החוקר. הממצאים חשובים ומרתקים במיוחד עבור התכנון והפיתוח של מיקרו-מכונות אמינות בעלות יעילות גבוהה.