Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bir çalışmada, araştırmacılar mikroskobik ölçekte çalışan ve yüzde 100 verimliliğe ulaşabilen ‘Olasılıksal Carnot Motoru’ nu tanıttı. Bu yenilikçi sistem, klasik termodinamiğin iki yüzyıllık Carnot verimlilik sınırına meydan okuyor.
Çalışmaya öncülük eden Abdus Salam Uluslararası Teorik Fizik Merkezi’nden Dr. Édgar Roldán, motivasyonunu şöyle açıkladı:
“Bir arabanın motorundan canlı organizmalara kadar tüm makinelerin nasıl çalıştığı beni büyüledi. Bu araştırmayla, motor verimliliğinin sınırlarını yeniden düşünmemiz gerektiğini ortaya koyduk.”
CARNOT SINIRININ ARDINDA
1824’te Sadi Carnot tarafından belirlenen verimlilik sınırı, motorların iki ısı rezervuarı arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır ve termodinamiğin ikinci yasası gereği aşılmaz kabul edilir. Ancak ‘Olasılıksal Carnot Motoru’, oyun teorisinden türetilen stratejilerle bu sınırı geçebiliyor.
Sistem, Maxwell’in ünlü düşünce deneyinden esinlenen harici bir denetleyici ‘şeytan’ kullanarak, parçacığın konumunu sürekli takip ediyor ve kritik anda sıfır iş maliyetiyle sıkıştırmayı tamamlıyor.
NANOSKOPİK DÜZEYDE İŞLEYİŞ
Motor, su içinde lazer ışınıyla hapsedilmiş mikroskobik bir polistiren parçacık üzerinden çalışıyor. Bu parçacık, çevresindeki moleküllerin çarpışmalarıyla sürekli dalgalanıyor. Olasılık stratejisi ise bu rastlantısal dalgalanmaları lehine kullanarak enerjiyi işe dönüştürüyor.
Roldán, yöntemi şöyle özetledi:
“GCE’nin temelinde, klasik bir ısı motorunun enerji çıkarma mekanizmasını ve Maxwell’in şeytanında gördüğümüz bilgi işleme mekanizmasını birleştirmek yatıyor.”
BİLGİ İŞLEMENİN ROLÜ
Araştırmacılar, bu yaklaşımın verimliliği yüzde 100’e kadar çıkarabileceğini gösterdi. Ancak burada kritik ayrım, bilgi işleme maliyetinde ortaya çıkıyor. Termal dönüşüm Carnot sınırını aşsa bile, parçacık konumuna dair bilginin silinme maliyeti hesaba katıldığında sistem termodinamiğin ikinci yasasına uyuyor.
Roldán, bu noktayı şu sözlerle vurguladı:
“Verimliliği hesaplarken bilginin silinme maliyetini dahil ettiğimizde, Carnot limitine saygı duyan alternatif bir verimlilik tanımına ulaşıyoruz.”
DENEYSEL UYGULAMAYA YAKIN
Araştırma ekibi, daha önce gerçekleştirdikleri optik cımbız deneylerinden alınan parametrelerle çalıştı. Yüksek hızlı konum tespiti ve geri bildirim sistemlerinin kritik olduğunu belirten Roldán, “Teorik fikrimizin laboratuvarda hızla uygulanabileceğinden eminiz. Bu kavram, nanomakinelerin tasarımında devrim yaratabilir” dedi.
Uzmanlara göre bu yöntem, gelecekte enerji verimliliği yüksek nanomakinelerin ve biyomimetik cihazların önünü açabilir.
