ניצול מקור האנרגיה הבלתי נראה של הטבע: מדענים דוחפים מנוע מידע לגבולותיו

חוקרים פיתחו מנוע מידע הממיר תנועה מולקולרית לעבודה, ומציע דרכים חדשות לשיפור היעילות האנרגטית והבנת המערכות הביולוגיות.

המולקולות המרכיבות את החומר סביבנו נמצאות בתנועה מתמדת. מה אם נוכל לרתום את האנרגיה הזו ולהשתמש בה?

לפני יותר מ-150 שנה הגה מקסוול שאם ניתן למדוד את תנועת המולקולות בצורה מדויקת, המידע הזה יכול לשמש להנעת מנוע. עד לאחרונה זה היה ניסוי מחשבתי, אבל פריצות דרך טכנולוגיות אפשרו לבנות מנועי מידע עובדים במעבדה.

עם מימון ממכון השאלות היסודיות, פרופסורים לפיזיקה של SFU ג'ון בכופר ודיוויד סיביק חברו לבניית מנוע מידע ולבחון את גבולותיו. עבודתם קידמה מאוד את ההבנה שלנו לגבי אופן פעולת המנועים הללו, ומאמר בהנחייתו של פוסט-דוקטורט יוהאן דו בויסון ופורסם לאחרונה ב התקדמות בפיזיקה: X מסכם את הממצאים שנעשו במהלך שיתוף הפעולה ביניהם.

ניצול אנרגיה שאינה מנוצלת

"אנחנו חיים בעולם מלא באנרגיה נוספת שאינה מנוצלת שאפשר להשתמש בה", אומר בכהופר. הבנה כיצד פועלים מנועי מידע לא רק יכולה לעזור לנו להפעיל את האנרגיה הזו, היא גם יכולה להציע דרכים שבהן ניתן לעצב מחדש מנועים קיימים כדי להשתמש באנרגיה בצורה יעילה יותר, ולעזור לנו ללמוד כיצד פועלים מנועים ביולוגיים באורגניזמים ובגוף האדם.

מנוע המידע של הצוות מורכב מחרוז זעיר באמבט מים המוחזק במקומו באמצעות מלכודת אופטית. כאשר תנודות במים גורמות לחרוז לנוע בכיוון הרצוי, ניתן לכוון את המלכודת כדי למנוע מהחרוז לחזור למקום בו היה קודם. על ידי ביצוע מדידות מדויקות של מיקום החרוז ושימוש במידע זה כדי להתאים את המלכודת, המנוע מסוגל להמיר את אנרגיית החום של המים לעבודה.

כדי להבין עד כמה המנוע יכול להיות מהיר ויעיל, הצוות בדק מספר משתנים כמו מסת החרוז ותדירות הדגימה, ופיתח אלגוריתמים כדי להפחית את אי הוודאות של המדידות שלהם.

השגת מהירות גבוהה וחקר קצירת אנרגיה

"לפי מהותו הפשוטה ביותר, אנו יכולים להבין באופן שיטתי כיצד דברים כמו טמפרטורה וגודל המערכת משנים את הדברים שאנו יכולים לנצל", אומר סיקק. "מהן האסטרטגיות שעובדות הכי טוב? איך הם משתנים עם כל המאפיינים השונים האלה?"

הצוות הצליח להשיג את המהירות המהירה ביותר שנרשמה עד כה עבור מנוע מידע, בערך פי עשרה מהמהירות של אי – קוליוניתן להשוות למהירות של חיידקים תנועתיים המצויים בסביבות ימיות.

בשלב הבא, הצוות רצה ללמוד אם מנוע מידע יכול לקצור יותר אנרגיה ממה שהוא עולה להפעיל. "בשיווי משקל, זה תמיד משחק אבוד", אומר בכהופר. "העלויות של איסוף המידע ועיבודו תמיד יעלו על מה שאתה מוציא ממנו, אבל כשיש לך סביבה שיש בה אנרגיה נוספת, (מולקולות עושות) יתר על המידה, אז זה יכול לשנות את האיזון אם היא חזקה מספיק."

הם גילו שבסביבה לא בשיווי משקל, שבה המנוע נמצא באמבט חום עם טמפרטורה גבוהה יותר ממכשיר המדידה, הוא יכול להפיק יותר כוח משמעותית ממה שעלה להפעילו.

כל האנרגיה על כדור הארץ מגיעה מהשמש, ובסופו של דבר היא מקרינה החוצה לחלל. זרימה כיוונית זו של אנרגיה מתבטאת בדרכים רבות ושונות, כגון רוח או זרמי אוקיינוס ​​שניתן לקצור. הבנת העקרונות מאחורי מנועי המידע יכולה לעזור לנו לנצל טוב יותר את האנרגיה הזו.

"אנחנו מגיעים ל (קצירת אנרגיה) מנקודת מבט שונה מאוד, ואנו מקווים שהפרספקטיבה השונה הזו יכולה להוביל לכמה תובנות שונות לגבי איך להיות יעילים יותר", אומר בכהופר.

הזוג מצפה לעבוד יחד על פרויקטים אחרים בעתיד. "היה לנו מזל לקבל יחד מענק משותף. זה מאוד עזר לשיתוף הפעולה", אומר בכהופר.

סיקק, תיאורטיקן, ובכהופר, נסיינית, מביאים גישות משלימות לעבודתם, והם הצליחו למשוך חניכים שרוצים לעבוד עם שניהם. "יש לנו סגנונות שונים מבחינת האופן שבו אנחנו מתנהלים בהדרכת קבוצה והובלת קבוצה", אומר סיק. "הסטודנטים והפוסט-דוקטורנטים שלנו יכולים להפיק תועלת משתי הגישות."