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Lunedì, Maggio 22, 2017
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Il motore termico più piccolo del mondo


Un motore termico su scala micrometrica è stato per la prima volta realizzato da ricercatori dell'Università di Stoccarda e del Max Planck Institut per i sistemi intelligenti, che lo descrivono in un articolo pubblicato su "Nature Physics".

Spesso una tecnologia che opera senza inconvenienti a dimensioni macroscopiche può manifestare problemi inaspettati sie viene riprodotta a scale molto più piccole perché nei due ambiti intervengono leggi diverse. Ma così non è stato, con i dovuti accorgimenti, per il motore messo a punto da Clemens Bechingere e Valentin Blickle: "Abbiamo sviluppato il più piccolo motore a vapore del mondo o, per essere più precisi, il più piccolo motore Stirling, e scoperto che la macchina riesce veramente a svolgere un lavoro", ha detto Bechinger. "La cosa non era affatto ovvia, perché la macchina è così piccola che il suo movimento è ostacolato da processi microscopici che non sono di alcuna rilevanza nel macromondo."


Nel motore termico inventato quasi 200 anni fa da Robert Stirling, un cilindro pieno di gas viene periodicamente scaldato e raffreddato in modo che il gas si espanda e si contragga, spostando un pistone. 

Nel nuovo motore le molecole di gas sono sostituite da una singola sferetta di plastica di soli tre micrometri (un micrometri equivale a un millesimo di millimetro) che galleggia in acqua. I fisici hanno sostituito il pistone, che si muove alternativamente su e giù in un cilindro, con un raggio laser la cui intensità è fatta variata periodicamente. Le forze ottica del laser limita in misura maggiore o minore il moto della particella di plastica, come nella compressione e nell'espansione del gas nel cilindro di un motore termico di grandi dimensioni.

Perché le due fasi di  compressione ed espansione non si annullino a vicenda e contribuiscano al lavoro, devono avvenire a temperature diverse, ottenute riscaldando il sistema durante l'espansione, con un ulteriore raggio laser, inoltre, che scalda improvvisamente l'acqua, ma consente anche di raffreddare non appena spento.

Le molecole d'acqua sono così in costante movimento e si scontrano con la microparticella. In queste collisioni casuali, la sferetta di plastica continua a effettuare uno scambio di energia con l'ambiente dello stesso ordine di grandezza della conversione di energia in lavoro della  micromacchina. "Ciò significa che la quantità di energia guadagnata varia notevolmente da ciclo a ciclo, e e fa sì che nel caso peggiore la macchina si fermi un attimo, ossia 'perda colpi' ", spiega Blickle. Il fenomeno non si avverte con le macchine macroscopiche perché queste convertonocirca 20 ordini di grandezza di energia in più e queste piccole energie di collisione non sono importanti.

Nonostante questo inconveniente, ha osservato Bechinger, "i nostri esperimenti ci offrono una panoramica iniziale nel bilancio energetico di un motore termico che operi in dimensioni microscopiche. Anche se la nostra macchina non fornisce ancora alcun lavoro utile, non ci sono ostacoli termodinamici, in linea di principio, che vietino questo in piccole dimensioni".


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