O echipă de ingineri a conceput un motor cuantic în 4 timpi, care funcţionează cu pistoane similare unui propulsor cu ardere internă

Lumea trece în mod clar la maşini propulsate de electromotoare, acestea având un randament mult mai mare decât cele cu combustie, de circa 95-97% în faţă de 35-41% la cele cu combustie. Chiar şi cei care propun alternative pentru maşinile electrice, precum hidrogenul, se referă de obicei la alternative pentru baterii, în timp ce propulsia propriu-zisă oricum e realizată de un electromotor. Sigur, mai există şi ideea de a folosi hidrogenul direct în combustie într-un motor cu ardere internă, dar acolo încă mai există probleme în modul de stocare a unei cantităţi suficiente de hidrogen. Ei bine, acum o echipă internaţională de ingineri şi fizicieni, majoritatea lor fiind din Germania, a prezentat lumii întregi conceptul lor de motor cuantic în 4 timpi, care funcţionează cu cilindri şi pistoane similare unui motor cu ardere internă!

Foto: Nucleul echipei de ingineri, profesorul Artur Widera (dreapta), Jennifer Koch (primul auto al studiului, stânga), Sian Barbosa (centru), ambii din grupul de cercetare şi Dr. Eloisa Cuestas, (co-autor din Okinawa, faţă).

Fizica cuantică e o materie profundă, care e adeseori dificil de înţeles, aşa că vom încerca să o explicăm cât mai clar. În primul rând, vom spune că echipa de fizicieni şi ingineri, spun că motorul lor e foarte mic în dimensiuni şi, deşi finalitatea e cumva tot dezvoltarea de energie mecanică a mişcării, e încă neclar dacă acesta ar putea fi scalat la dimensiunea în care să poată propulsa direct o maşină. Dar aceştia sunt convinşi că există nenumărate aplicaţii practice, eventual indirecte, inclusiv pentru propulsia maşinilor, dar şi în alimentarea bateriilor cuantice, a senzorilor şi a computerelor cuantice.

Foto: Computerelor cuantic actual

Motoarele cu ardere internă în 4 timpi funcţionează convertind energia termică a combustibilului ars în interiorul cilindrului în lucru mecanic al pistonului, care, printr-o bielă, o transformă în mişcare circulară a arborelui cotit. În motorul cuantic prezentat acum, însă, în cilindru nu va avea loc o combustie, care să împingă pistonul. Acolo se va face uz de un efect din fizica cuantică, numit principiul de excluziune Pauli.

Practic, toate particulele cunoscute de ştiinţă în prezent, la nivel cuantic, se împart în bosoni şi fermioni. Bosoni formează majoritatea şi, conform defiziţiei fizice trebuie să aibă spinul un număr întreg. Fotonii sunt cei mai cunoscuţi bosoni şi reprezintă cuanta de schimb al interacţiunii electromagnetice. De cealaltă parte, fermionii sunt particulele cu spinul reprezentat în numere semiîntregi. Cele mai cunoscute particule din clasa fermionilor sunt electronii. Iar principiul Pauli spune că, în timp ce bosonii se conglomerează în aceeaşi stare cuantică, fermionii identici nu pot ocupa niciodată aceeaşi stare cuantică simultan. Acest principiu determină ca într-un atom toate particulele de materie să aibă opuşi, să determine un comportament de ocupare a spaţiului şi să dea proprietăţile elementelor, aşa cum le ştim din tabelul periodic. Riscând nu fim foarte precişi şi exhaustivi, putem spune că acest principiu stă la baza mişcării particulelor la nivel de atomi. Să vedem, însă, cum s-a ajuns de la el la integrarea lui într-un motor de tip nou.

La temperatura de cameră, aceste efecte fizice la nivel cuantic trec oarecum neobservate. La o temperatură apropiată de zero absolut, adică 0 grade Kelvin sau -273,15 grade Celsius, lucrurile încep să ia o altă întorsătură. E aceeaşi temperatură la care apare şi efectul de superconductivitate, când aproape că dispare efectul de rezistenţă în faţa curentului electric. La o temperatură apropiată de zero absolut, bosonii şi fermionii se comportă mult mai contrastant unii faţă de alţii — în timp ce primii tind spre cea mai joasă stare energetică, fermionii încearcă să „urce” unii peste alţii într-o adevărată scară a variaţiilor de stări. Iar mulţi fermioni vor avea astfel mai multă energie decât o cantitate similară de bosoni.

Acest fenomen e unul cunoscut celor care studiază fizica cuantică, dar nu exista până acum o metodă propusă de a capta cumva această diferenţă de potenţial energetic. Şi mai enigmatică părea ideea de transforma particulele din bosoni în fermioni, dar în anii 2000 un grup de fizicieni a descoperit că dacă fermionii sunt supuşi unui câmp magnetic potrivit, atunci aceştia pot fi forţaţi să se împerecheze în bosoni. Iar astfel se produce o schimbare a stării cuantice.

Acum, dacă lucrurile au părut oricum complicate mai sus, ideea e că în aceste tendinţe de mişcare a fermionilor şi tranziţia lor către bosoni se ascunde o potenţial de energie mare care se degajează. Iar noul motor cuantic vrea să facă exact asta, să forţeze fermionii să acţioneze după cum am descris mai sus, ca să degajeze energie şi să împingă astfel pistonul, creând mişcare.

Foto: Schema de funcţionare a motorului cuantic cu piston mecanic

Motorul ar funcţiona în 4 timpi, folosind un gaz de atomi litiu-6, un izotop al litiului, răcit la temperatura de aproape zero şi au ajustat câmpul magnetic din jurul cilindrilor, astfel încât să intre în rezonanţa potrivită şi poată „prinde” fermionii în capcana necesară, pentru a-i determina să lanseze fenomenul de trecere în bosoni şi să genereze forţă de expansiune. Cei 4 timpi ar fi următorii: întâi moleculele bosonice sunt comprimate într-un spaţiu îngust, apoi apare curentul magnetic care determină separarea bosonilor în fermioni de litiu-6. Aici are loc expansiunea, şi mişcarea pistonului, după care câmpul magnetic e inversat şi fermionii formează bosoni înapoi încheind ciclul din 4 faze.

Foto: Ciclurile de funcţionare a motorului cuantic în 4 timpi

Gata cu lucrurile complicate în acest articol, să facem un zoom-out şi să încercăm să înţelegem ce se consumă, ce randament există, şi ce zic inginerii despre asta? La nivel molecular se întâmplă lucruri magice şi nu există ceva care să ardă şi să emită CO2 în acest motor, mişcarea părând a fi creată de un efect al fizicii cuantice, care a putut fi captat acum. Însă anume la asigurarea condiţiilor pentru ca aceste efecte cuantice să se întâmpă e şi consumul de energie. În primul rând, e nevoie de energie pentru câmpul magnetic care să asigure transformarea din bosoni în fermioni şi invers la fiecare ciclu. Dacă la un motor cu ardere internă e o scânteie şi o injectare de benzină o dată la fiecare 4 timpi, aici e un impuls magnetic la fiecare doi timpi, opus unul faţă de altul, pentru transformarea într-o direcţie şi apoi inversă a particulelor gazului din cilindru. Inginerii zic că au reuşit să atingă o eficienţă de 25% în simulările teoretice de până acum, dar spun că 50% e un randament realist de atins. Dar mai există o mare problemă. Două, de fapt.

Prima mare problemă e că toate aceste efecte fizice se pot întâmpla la -268 grade Celsius şi mai jos, până spre -273. Iar asta înseamnă că fie motorul trebuie să se afle în interiorul unui mediu atât de închis, fie gazul trebuie păstrat la o asemenea temperatură în interior. Oamenii pot face asta în prezent, dar o fac cu heliu şi cu un consum de energie uriaş, în procese ştiinţifice sau medicale care sunt de o prioritate absolută. Să faci asta la fiecare motor de maşină e deocamdată imposibil şi absolut ineficient.

A doua problemă e că inginerii şi fizicienii care au construit acum motorul au făcut pistonul practic sudat de peretele cilindrului, pentru a se asigura că interiorul cilindrului e ermetic, că altfel nu putea asigura efectul cuantic din interior. Deci, efectiv, ei au măsurat creşterea forţei în interiorul cilindrului, dar niciun piston şi nicio bielă nu s-a mişcat să pună în mişcare un arbore cotit, din simplul motiv că nu există vreun simering care poată asigura etanşarea absolută pe interior, în timp ce pistonul ar putea culisa. Deci e şi o problemă de mecanică aici. Noi zicem că poate efectul ar putea fi cules prin membrane extensibile, ca într-un compresor, dar autorii fizicienii nu au menţionat o asemenea idee.

Foto: Nu există deocamdată un simering suficient de potrivit pentru noul motor

Deci, avem un motor mai mult teoretic, care a fost testat conceptual şi s-a demonstrat că poate crea acea forţă, doar că nu s-a putut construit mecanic un piston care să facă faţă acestor caracteristici pe de o parte, iar pe de altă parte e nevoie de un mediu mult prea energofag, apropiat de zero absolut, ca el să funcţioneze. Pare o perspectivă pesimistă, dar comunitatea oamenilor de ştiinţă şi a fizicienilor e încântată de descoperirea acestei echipe, spunând că motorul cu efect Pauli, conceput şi demonstrat de ei acum ca efect de fizică cuantică în interior acelui cilindru, reprezintă un salt uriaş în fizica cuantică, iar restul elementelor sunt mici detalii, care vor fi puse la punct în timp de 10 ani maxim. Şi ei se referă mai ales la randament, cu ideea că acesta va fi adus la 50%. Iar temperaturile de aproape zero absolut nu sunt o problemă, spun fizicienii, pentru că există computere cuantice şi baterii cuantice, care au deja asemenea temperaturi asigurate pe o parte din circuit, iar acest motor ar fi integrat în acea parte şi ar aduce beneficii uriaşe, cu consum minim de energie. Într-atât de minim, raportat la efectul său, încât ar putea fi comparat cu energia nucleară, spun ei, fără vreo radiaţie. Este ca şi cum mişcarea ar rezulta din acele transformări atomice din interior, pe care doar le impulsionăm un pic cu câmp magnetic. Iar beneficiul acelei mişcări, dacă avem mediul de zero absolut, ar fi potenţial mai mare decât energia consumată pentru acele impulsuri.

Foto: Computer cuantic prezent, în care există deja circuite aproapiate de zero absolut

Ştim sună greu de înţeles în totalitate tot ceea ce e scris mai sus, dar adevărul e că fizica cuantică e un domeniul pe care şi fizicienii încă nu l-au cunoscut şi înţeles în deplinătatea sa absolută. De asta, fiecare asemenea descoperire poate însemna un pas major pentru omenire, pentru că acolo, la nivel atomic, se ascund surse inimaginabile de energie. Şi acest motor, încă teoretic acum şi în că microscopic în dimensiuni, ar putea ajunge într-o zi nu la mărimea unui V8 de 5,0 litri sub capotă, ci la mărimea unui cub mic, care să fie integrat într-o capsulă termoizolată la zero absolut, iar el prin mişcarea lui să genereze cantităţi uriaşe de electricitate pentru a mişca electromotoarele maşinii. Iar noi am putea ajunge să avem nevoie nu de o baterie de 700 kg şi 100 kWh, ci de una mică, de câţiva kWh, ca se menţină doar mediul ăla foarte rece din capsulă, iar energia produsă în interior de acest motor cuantic să fie suficientă pentru 1.000, 2.000 km sau mai mult. Iată cam acolo e miza şi imaginaţia fizicienilor despre această descoperire anunţată acum, după ce datele au fost publicate şi verificate de comunitatea fizicienilor. Şi cu siguranţă ei înţeleg ceva mai mult, aşa că, dacă există atâta entuziasm, probabil există şi motive bune pentru asta!