Motor térmico de un solo ión

Unos físicos están trabajando en un motor térmico compuesto por un solo ión. Dicho nanomotor térmico podría ser mucho más eficiente que, por ejemplo, un motor de automóvil o una central eléctrica de carbón. Un motor térmico convencional transforma el calor en energía mecánica utilizable, con su correspondiente eficiencia, que, por ejemplo, en el caso de un motor basado en el ciclo de Otto llega a sólo un 25 por ciento. El nanomotor térmico propuesto, compuesto por un solo ión de calcio, sería mucho más eficiente.

El objetivo principal de esta investigación es entender mejor cómo funciona la termodinámica a escalas muy pequeñas. Un equipo de científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y la Universidad de Erlangen-Nuremberg, ambas en Alemania, está construyendo un prototipo de dicho nanomotor térmico.

La eficiencia de los motores térmicos alimentados por focos caloríficos está determinada por la segunda ley de la termodinámica, uno de los conceptos fundamentales de la física. Ya en 1824 el francés Nicolas Carnot calculó el límite de eficiencia máxima posible de este tipo de motores, que ahora se conoce como límite de Carnot. En el caso del nanomotor térmico propuesto, los científicos han podido superar teóricamente al límite de Carnot clásico.

Un solo ión atrapado en una trampa lineal de Paul con geometría especial: El motor térmico se logra mediante las barras divergentes y campos eléctricos especiales. (Imagen: Quantum, Universidad de Maguncia)

Los cálculos y simulaciones hechos antes de comenzar a fabricar el prototipo ya indicaron que se podía reproducir el flujo termodinámico en un motor de combustión interna utilizando iones individuales. La idea del equipo de Johannes Roßnagel, del Grupo de trabajo en Física Cuántica, Atómica y de Neutrones (QUANTUM) del Instituto de Física de la Universidad Johannes Gutenberg, era utilizar un ión de calcio-40, el cual tiene un diámetro un millón de veces menor que el de un cabello humano, para este propósito. Los iones individuales pueden actuar básicamente como el pistón y el eje de transmisión, y a partir de esto se obtiene el motor completo.

Superar el límite de Carnot en un motor térmico estándar en realidad no viola la segunda ley de la termodinámica, sino que tan solo demuestra que el uso de focos caloríficos no térmicos preparados de modo especial también hace que sea posible mejorar aún más la eficiencia.
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