Двигател с рекордно КПД: Как биохимици решиха основния проблем на термодинамиката

Физици се противопоставиха на законите на термодинамиката, които се смятаха за неизменни в продължение на няколко века. Изследователи от Пекинския нормален университет и Центъра за системна биология в Дрезден доказаха теоретично: възможно е да се създаде топлинен двигател, който ще работи с максимална мощност и ще се доближава до ефективността на цикъла на Карно.

Историята на това откритие започва в края на 2022 година, когато професор Ю-Хан Ма и д-р Б. Шилинг Лян обсъждат необичайно явление. Докато изучавали процеса на сгъване на полимери, Лианг забелязал странна закономерност: някои молекулярни системи нарушавали обичайните граници на ефективност на топлинните двигатели.

За да разберем откритието, трябва да разберем основните принципи. Всеки топлинен двигател работи между два резервоара – горещ и студен.

Двигателят взема топлина от горещия резервоар, преобразува част от тази енергия в полезна работа и изхвърля остатъка в студения резервоар. В идеалния случай, както е описал Саади Карно, този процес трябва да бъде обратим – тогава двигателят ще постигне максимална ефективност, но в действителност, поради неизбежните загуби на енергия, ефективността винаги е под теоретичната граница.

От индустриалната революция насам топлинните двигатели са в основата на технологичния прогрес – от парните машини до съвременните турбини. Инженерите обаче винаги са били изправени пред труден избор: или машината работи бавно и се приближава до максималната ефективност, или произвежда повече енергия, но губи ефективност. Тази закономерност се описва от „принципа на универсалност 1/2“: ако температурната разлика между резервоарите е малка, то при максимална мощност ефективността не може да надхвърли половината от теоретичната граница на Карно.

Решението, предложено от китайско-германската група учени се основава на квантовомеханичната концепция за дегенерация на енергийните състояния.

В техния модел всяка енергийна стойност съответства не на една, а на много различни подредби на молекулите. Най-простият вариант също включва две състояния: долно, с малък брой възможни конфигурации и горно, позволяващо много повече варианти за подреждане на частиците.

Преходът между тези състояния може да се осъществи по два начина. При ниски температури системата се нуждае от „гориво“ – АТФ молекули. Този универсален източник на енергия работи във всички живи клетки: когато АТФ се разгражда на по-прости съединения се освобождава енергия за най-важните биохимични процеси. В нагрята среда картината се променя: самите молекули се устремяват към горно състояние, където имат по-голяма свобода на движение. Този спонтанен преход вече не изисква изразходване на АТФ.

Колкото по-голяма става една система, толкова повече се различават нейните състояния: на върха молекулите могат да бъдат подредени по все повече начини. Физиците наричат такива скокообразни промени на състоянията фазови преходи от първи вид. Почти никаква енергия не се губи, когато системата преминава от едно ниво на друго.

Изчисленията изненадаха учените: колкото по-голяма става системата, толкова повече нараства мощността на двигателя и ефективността му се доближава до границата на Карно.

За първи път е възможно да се постигне това, което преди се е смятало за невъзможно: двигателят да е едновременно ефективен и мощен.

„Ще трябва да преразгледаме познатите закони на термодинамиката. Когато в една система се появи безкрайно нарастваща величина (в този случай броят на начините за подреждане на молекулите), старите правила спират да действат. Дори редът, в който разглеждаме увеличаването на ефективността и увеличаването на броя на състоянията влияе върху крайния резултат.“

обяснява професор Ма

Откритието е особено ценно, защото такава система би могла да работи като биохимичен двигател и да произвежда АТФ. Това ще помогне да се разбере по-добре как живите организми използват енергията. Д-р Лианг вярва, че е възможно теорията да се тества върху биополимери – тези молекули са естествено способни да приемат много различни форми с една и съща енергия.

Статията за изследването е публикувана във Physical Review Letters и обещава да промени начина, по който мислим за термодинамиката. Все още е далеч от практическо приложение, но авторите вярват, че техният модел ще проправи пътя за нов тип двигател. Подобно на цикъла на Карно, който преди два века предложил как да се подобрят парните машини, това откритие ще помогне за създаването на по-добри двигатели.