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Físicos alemães projetam o motor mais eficiente do mundo

Físicos da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e da Universidade de Erlangen-Nuremberg projetaram um motor térmico feito com um único íon, e que opera com uma eficiência altíssima.
Este nanomotor pode ser muito mais eficiente que, por exemplo, um motor de carro. Um motor térmico usual transforma energia térmica em energia mecânica com a eficiência correspondente de um motor de Otto, algo em torno de 25 porcento.

Um único íon em um [QIT linear](//en.wikipedia.org/wiki/Quadrupole_ion_trap). O motor térmico está sendo feito por barras diferentes; a compressão está sendo causada por campos elétricos especiais. (Foto: Universidade de Mainz)
Um único íon em um QIT linear com uma geometria especial. O motor térmico está sendo feito por barras divergentes; a compressão está sendo causada por campos elétricos especiais. (Imagem: Universidade de Mainz)
Como todos nós, estudantes de Engenharia, já vimos nas aulas de Física, a eficiência dos motores térmicos é determinada pela segunda lei da termodinâmica:

A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, até alcançar um valor máximo.

Sadi_Carnot
Carnot com uniforme de estudante da École Polytechnique. (Fonte: Wikipedia).
Em 1824, o físico, matemático e engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot, calculou o limite máximo da eficiência de motores térmicos, que conhecemos hoje como limite de Carnot. Mas no caso deste novo nanomotor, os cientistas conseguiram (teoricamente) exceder o limite de Carnot manipulando os banhos de calor e explorando os estados de nanoequilíbrio. O principal objetivo desta pesquisa é entender melhor como a termodinâmica funciona em escalas muito pequenas.
Há aproximadamente um ano, os cientistas calcularam que seria possível reproduzir um fluxo termodinâmico de um motor de combustão interna com um único átomo. A ideia era usar íon de cálcio 40 para isso. Conforme Johannes Roßnagel, do Instituto de Física da JGU:

“Um íon pode agir basicamente como um pistão e um eixo de transmissão, em outras palavras, representar um motor inteiro.”

Um íon pode ser capturado em uma armadilha de íons (QIT – Quadrupole Ion Trap), e com o uso de lasers e campos elétricos pode ser aquecida, esfriado e até comprimido. Assim, os cientistas podem manipular a distribuição da localização do pulso para uma eficiência ótima. Segundo Roßnagel “exceder o limite de Carnot para um motor térmico padrão não viola a segunda lei da termodinâmica, mas demonstra que o uso de de reservatórios de calor não térmicos especialmente preparados torna possível melhorar a eficiência”.
A capacidade mecânica de uma única máquina de íon é extremamente baixa e, provavelmente, pode ser usada para aquecer ou esfriar nanossistemas. A pesquisa também pode ser útil para a construção dos computadores quânticos no futuro.
Agora, os cientistas pretendem desenvolver o motor e construir um protótipo em laboratório.
Fonte: Johannes Gutenberg Universität Mainz
 


+ Texto por Douglas Moura. Estudante de Engenharia Civil, saxofonista amador e programador auto-didata, acredita que pode mudar o mundo um passo de cada vez. Ama jazz, software livre e ciências exatas.


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