أصغر محرك بخاري في العالم

نجح باحثون ألمان الآن في فك رموز كيفية عمل المحركات الميكرومترية. يمكن أن تساعد النتائج التي توصلوا إليها في تطوير محركات بخارية صغيرة جدًا وعالية الكفاءة

نجح باحثون ألمان من معهد ماكس بلانك الآن في فك رموز كيفية عمل المحركات الميكرومترية. يمكن أن تساعد النتائج التي توصلوا إليها في تطوير محركات بخارية صغيرة جدًا وعالية الكفاءة.

قد تؤدي التكنولوجيا التي تعمل على نطاق واسع إلى حدوث مشكلات غير متوقعة على نطاق صغير، وقد تكون هذه المشكلات مادية في جوهرها. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن قوانين مختلفة تحكم العالم المجهري والعياني. على الرغم من اختلاف القوانين، فإن بعض العمليات الفيزيائية تتشابه بشكل مدهش على نطاق صغير وكبير. اكتشف باحثون من جامعة شتوتغارت ومعهد ماكس بلانك للأبحاث أحد عوامل التشابه هذه.

وقال الباحث الرئيسي: "لقد طورنا أصغر محرك بخاري في العالم ووجدنا أن هذه الآلة تعمل بالفعل". "لم تكن هذه النتيجة متوقعة بالضرورة لأن الآلة صغيرة جدًا بحيث يتم إعاقة حركتها بواسطة عمليات مجهرية لا تؤخذ في الاعتبار على الإطلاق في العالم المجهري." تتسبب هذه الاضطرابات في عمل الآلة الدقيقة بطريقة غير حساسة.
تملي قوانين العالم العياني أنه لا يمكن للباحثين بناء محرك صغير يعتمد على مخطط محرك كامل الحجم. في المحرك الحراري، الذي اخترعه روبرت ستيرلينغ منذ حوالي مائتي عام، يتم تسخين وتبريد أسطوانة مملوءة بالغاز بشكل دوري بحيث يتمدد الغاز وينكمش بشكل متكرر. يسمح هذا النظام للمكبس بتنفيذ إجراء يمكن استخدامه لتحريك عجلة، على سبيل المثال.

يقول أحد الباحثين: "لقد تمكنا من تقليل حجم المكونات الضرورية في المحرك الحراري، مثل المكبس، إلى بضعة ميكرومترات فقط ثم قمنا بتجميعها لاستقبال الآلة". ولا يتكون الغاز العامل في النظام الجديد الآن من عدد لا يحصى من الجزيئات، بل يتكون من نوع واحد من الخرز البلاستيكي الذي يبلغ حجمه ثلاثة ميكرومترات فقط، والذي يطفو على الماء. وبما أن الجسيم أكبر بـ 10000 مرة من ذرة واحدة، فإن الباحثين قادرون على مراقبة حركته مباشرة باستخدام المجهر.
استبدل الفيزيائيون المكبس، الذي يتحرك لأعلى ولأسفل بشكل دوري داخل الأسطوانة، بشعاع ليزر مركّز تتغير شدته بشكل دوري. وتحد القوى الضوئية لليزر من حركة جسيم البلاستيك، على غرار تمدد وانكماش الغاز الموجود في أسطوانة المحرك الحراري العادي. لذلك، يقوم الجسيم بالعمل على مجال الليزر البصري. وحتى لا تتوازن المساهمات في العمل أثناء التمدد والانكماش، يجب تنفيذ هذه الخطوات عند درجات حرارة مختلفة. ويتم ذلك عن طريق تسخين النظام من الخارج أثناء عملية التوسيع، تمامًا كما يتم بواسطة غلاية المحرك البخاري. واستبدل الباحثون الحرارة المتولدة في المحرك البخاري، والتي تنشأ من حرق الفحم، بشعاع ليزر إضافي يعمل على تسخين الماء على الفور، وفي الوقت نفسه يسمح له بالبرودة بمجرد توقف نشاطه.

وسبب تحرك الآلة التي ابتكرها الباحثون الألمان دون تكرير هو وجود جزيئات الماء التي تحيط بالخرزة البلاستيكية. تكون جزيئات الماء في حركة مستمرة بسبب درجة حرارتها وتصطدم باستمرار بالجسيمات الدقيقة. في هذه الاصطدامات العشوائية، يقوم الجسيم البلاستيكي بنقل الطاقة باستمرار إلى بيئته بنفس الترتيب الذي تقوم به الآلة الدقيقة بتحويل الطاقة إلى عمل. ويوضح أحد الباحثين: "تعني هذه النتيجة أن كمية الطاقة التي يتم الحصول عليها تختلف بشكل كبير من دورة إلى أخرى، بل إنها تتسبب في تعطيل الآلة عن عملها في الحالات القصوى". وبما أن الآلات العيانية تحول الطاقة بنحو عشرين مرة من حيث الحجم، فإن طاقات الاصطدامات الصغيرة لأصغر الجسيمات التي تحدث داخلها غير مهمة.

وتفاجأ الفيزيائيون أكثر عندما تمكنت الآلة من تحويل الكثير من الطاقة في كل دورة، في المتوسط، على الرغم من الطاقة المتغيرة، وحتى أنها تعمل بنفس مستوى الكفاءة مثل نظيرتها العيانية عند التحميل الكامل. "توفر لنا تجاربنا فكرة أولية عن توازن الطاقة في المحرك الحراري الذي يعمل في أبعاد مجهرية. وعلى الرغم من أن آلتنا لا تقدم أي عمل مفيد في الوقت الحالي، فمن حيث المبدأ لا يوجد عائق ديناميكي حراري يمنعها من القيام بذلك في هذه الأبعاد الصغيرة"، يوضح الباحث. تعتبر النتائج مهمة ورائعة بشكل خاص لتصميم وتطوير آلات دقيقة موثوقة ذات كفاءة عالية.
أخبار الدراسة