Een recent onderzoek onder leiding van Chinese wetenschappers heeft de honderden jaren oude mythe dat een warmtemotor zowel een maximaal vermogen als een hoge efficiëntie kan bereiken, in twijfel getrokken. De benadering tart de fundamenten van de thermodynamica.
De vorige maand in een gerenommeerd tijdschrift gepubliceerde studie suggereert dat een warmtemotor een maximaal vermogen kan bereiken zonder aan efficiëntie in te boeten. Wetenschappers presenteerden een minimaal model van een warmtemotor dat het rendement van Carnot kan bereiken terwijl het maximale vermogen wordt geleverd.
De bevindingen kunnen leiden tot vooruitgang in energieconversietechnologieën, die de weg kunnen vrijmaken voor efficiënte warmtemotoren.
Vereenvoudigd motormodel met hoog energieniveau
Door een vereenvoudigd motormodel te ontwerpen met degeneratie op hoog-energieniveau – waarbij veel microscopische toestanden samenwerken – konden de onderzoekers gebruik maken van collectieve effecten en de traditionele afweging tussen efficiëntie en vermogen omzeilen. Hun studie toonde aan dat wanneer veel kleine onderdelen van een systeem samenwerken, ze energie efficiënter kunnen omzetten, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor toekomstige technologie, meldt SCMP.
Het onderzoek, dat in januari werd gepubliceerd in Physical Review Letters, onthult het potentieel van intrinsieke afwijkende fysische grootheden binnen de werkende substantie, zoals degeneratie, als veelbelovende thermodynamische middelen om de universele energie-efficiëntie trade-off, opgelegd door de nonequilibrium thermodynamica voor conventionele warmtemotoren, te doorbreken.
“Onze bevindingen bieden nieuwe inzichten in het collectieve voordeel bij het benutten van energie van interagerende systemen met veel lichamen”, aldus de onderzoekers in het onderzoek.
Biochemische warmtemotor
Er is op gewezen dat de grootste hindernis bij het bouwen van een warmtemotor met een efficiëntie die in de buurt komt van die van de Carnot-warmtemotor, is dat er oneindig veel tijd nodig is om het werk uit te voeren met een minimaal vermogen. Volgens een rapport hebben de onderzoekers dit probleem aangepakt met een biochemische warmtemotor.
“Op basis van een polymeervouwmodel uit mijn vorige werk ontwikkelde ik een minimale warmtemotor die, verrassend genoeg, het potentieel toonde om een aantal geaccepteerde limieten voor de efficiëntie van een warmtemotor bij maximaal vermogen te overschrijden. Deze onverwachte bevinding bracht me ertoe contact op te nemen met Yu-Han en zo onze samenwerking voor dit project te starten,” vertelde Dr. B. Shiling Liang, co-auteur van het onderzoek, aan Phys.org.
Model zou de traditionele afweging tussen efficiëntie en vermogen kunnen doorbreken
Het onderzoeksteam toonde aan dat hun model onder bepaalde omstandigheden de traditionele afweging tussen efficiëntie en vermogen kon doorbreken.
Dit suggereerde dat warmtemotoren, mits ontworpen met de juiste interne structuur, veel efficiënter zouden kunnen werken dan de klassieke thermodynamica voorspelt. De onderzoekers beweerden ook dat wanneer deze theorieën in de echte wereld worden toegepast, er in de toekomst sterkere en efficiëntere energiecentrales, motoren en zelfs microscopische biologische machines zullen zijn die met veel minder energieverspilling werken.
Dr. Liang benadrukte ook dat door een minimaal model te construeren dat deze eigenschap bevat, “we kunnen aantonen hoe het conventionele thermodynamische grenzen doorbreekt en het fysische mechanisme achter collectief voordeel onthullen.”
