Innovazione

Il motore termico più piccolo del mondo

È fatto da un solo atomo e ha implicazioni più teoriche che pratiche, ma aiuterà nello studio dei flussi di calore.

All'Università di Mainz, in Germania, hanno realizzato il motore termico più piccolo e leggero di sempre. Si basa su un solo atomo, uno ione di calcio, e nonostante non sviluppi sufficiente energia per trovare applicazione pratica rappresenta una rivoluzione nel campo della fisica statistica, in quanto aiuterà lo studio dei flussi di calore nei sistemi microscopici.

Dal macro al micro. I motori a combustione interna che spingono le nostre auto sono un comune esempio di macchina termica: sono molto pesanti e sfruttano una reazione chimica per generare energia meccanica servendosi, tra l'altro, di sistemi di raffreddamento per disperdere il calore (l'energia) non trasformato in lavoro.

Insieme ai suoi colleghi, il fisico Kilian Singer ha sviluppato una macchina termica in cui uno ione di calcio (un atomo cui è stato sottratto un elettrone) viene ciclicamente eccitato e raffreddato, rispettivamente da un campo elettrico e un fascio laser. Muovendosi e fermandosi a ripetizione all'interno di una "trappola" a imbuto grande 8 mm (vedi schema qui sotto), lo ione sviluppa dai 10 ai 24 joule per ciclo (0,03 hp).

Il rumore prodotto da un set di elettrodi consente allo ione calcio di convertire il calore in movimento. Quando il rumore cessa, lo ione viene raffreddato da un fascio laser e torna nella posizione di partenza, dove il ciclo può ricominciare.

Scenari futuri. In realtà, sottolinea Singer, per produrre energia utile occorrerebbero miliardi di questi minuscoli motori, il che significherebbe costruire una tecnologia decisamente ingombrante. Tuttavia, lo scopo principale del lavoro rimane quello di «dimostrare la validità della termodinamica in un regime a singolo atomo».

Come spiega anche Peter Steeneken, fisico dell'Università tecnica di Delft (Paesi Bassi), il team tedesco ha trovato un modo convincente per «studiare i limiti ultimi e fondamentali» dei motori termici, sebbene al momento le applicazioni future siano ancora difficili da ipotizzare.

25 ottobre 2015 Davide Decaroli
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