×

Схематическое изображение модели биохимического теплового двигателя, который достигает максимальной мощности, приближаясь к эффективности Карно. На левой панели показан двухтактный двигатель, в котором более высокое энергетическое состояние (высокодегенеративное, вверху) может вмещать гораздо больше конфигураций, чем более низкое энергетическое состояние (низковырожденное, внизу). На правой панели показана кривая компромисса между мощностью (ось Y) и эффективностью (ось X), демонстрирующая, как увеличение разницы в вырожденности позволяет двигателю приближаться к эффективности Карно (справа), сохраняя при этом максимальную выходную мощность. Источник.

С давних пор люди пытались найти способ заставить что-либо работать «само по себе». Попытки создать пресловутый perpetuum mobile были столь же азартны, сколь и безрезультатны, став, в конце концом, моветоном в научном мире. Мало того, ажиотаж вокруг идеи привёл к отказу международных патентных бюро от рассмотрения соответствующих заявок. В США, например, такое положение дел сохраняется вот уже более 100 лет, а во Франции — аж с 1775 года. Аргументация такого решения сводилась к тому, что несуществующие объекты не могут подлежать регистрации.

В науке не бывает бесполезных опытов, вот и ситуация с вечным двигателем научила нас очень многому. Тем не менее, люди до сих пор ищут наиболее эффективные способы расходования энергии, создают и развивают гипотезы, разрабатывают реальные прототипы новых решений.

Одной из теоретических идей стал тепловой двигатель Карно — гипотетическое термодинамическое устройство 1824 года французского физика и математика Сади Карно. Лишённый каких бы то ни было потерь тепла и мощности на трении элементов, этот идеальный двигатель забирает тепло из горячего резервуара, преобразуя часть его в полезную работу, а остаток отдаёт холодному резервуару. Термодинамический цикл, которому следует двигатель, известен как цикл Карно.

Незадача.

Если бы вечный двигатель был возможен, рабочий процесс между горячим и холодным резервуарами был бы полностью обратимым, и тогда двигатель Карно обладал бы максимальной эффективностью. На самом же деле второй закон термодинамики не позволяет накапливать тепло из холода, поэтому реальные тепловые двигатели не являются обратимыми и всегда теряют энергию в виде тепла.

А раз уж тепловой двигатель Карно — супермен среди двигателей, поскольку не теряет энергии на трении деталей, то КПД реального теплового двигателя будет всегда меньше, чем у невероятного конкурента. Но проблема создания устройства, близкого по эффективности к гипотетической машине, ещё и в том, что повышение мощности и скорости его работы повлечёт рост теплопотерь (и энергозатрат), а повышение КПД — снижения выходной мощности до минимума и бесконечного времени на совершение одной и той же работы. Поэтому высокая эффективность при максимальной мощности (EMP — efficiency at maximum power) остаётся парадоксальной для тепловой машины.

Страсти по КПД.

Итак, КПД термодинамического цикла, которому следует двигатель французского физика, считается максимально возможным для любой тепловой машины, и с ним не только невозможно сравняться, но и просто приблизиться к нему — крайне непростая задачка. Однако наука то и дело штурмует эту крепость. В 2023 году исследователи из Индийского института науки (IISc) и Центра перспективных научных исследований имени Джавахарлала Неру (JNCASR) сумели преодолеть традиционный компромисс между энергоэффективностью и мощностью, добившись эффективности от своего «микротеплового двигателя» аж 95%.

И вот свой вызов многовековым представлениям о термодинамике бросают авторы нового исследования: доцент Ю-Хан Ма из Пекинского педагогического университета и доктор Шилинг Лианг из Центра системной биологии в Дрездене. Их работа, вышедшая в Physical Review Letters, показала, что теоретически возможно создать биохимический тепловой двигатель, который сумеет выдать максимальную мощность [c приближеybtv к КПД машины Карно.

«Эта совместная работа возникла в результате обсуждения, которое мы с Шилингом провели в конце 2022 года, — рассказывает профессор Ма. — В то время, в ходе своих ранних исследований, Шилинг обнаружил, что вырождение может повысить эффективность при максимальной мощности тепловых двигателей».:

 «Опираясь на модель сворачивания полимера, представленную в моей предыдущей работе, — продолжает рассказ коллеги доктор Лианг, —я разработал минимальный тепловой двигатель, который, как ни странно, показал способность превышать некоторые общепринятые ограничения по эффективности теплового двигателя при максимальной мощности. Это неожиданное открытие побудило меня обратиться к Ю-Хану и начать сотрудничество в рамках этого проекта».

Компромисс.

Тепловые двигатели, преобразующие тепловую энергию в полезную работу, стоят у истоков промышленной революции. И хоть их можно назвать основой человеческой цивилизации, эффективность Карно оставалась для них недостижимой вследствие непреодолимого компромисса: работать либо с максимальной эффективностью, либо с максимальной мощностью. Максимально эффективное расходование энергии оборачивалось крайней медлительностью и, по сути, бессилием вследствие падения мощности; а максимальная генерация мощности ускоряла выполнение задачи, но стремительно снижала эффективность энергопотребления.

Логика подсказывает, что лучший вариант где-то посередине. И действительно, существует «принцип полу-универсальности», согласно которому работа в режиме линейного отклика (то есть при небольших перепадах температур) позволяет тепловым двигателям достичь хоть и всего лишь половины КПД Карно, но зато — при максимальной мощности.

«Доказано, что это компромиссное соотношение универсально для различных ситуаций, особенно для тепловых двигателей с низким уровнем рассеивания, где эффективность при максимальной мощности имеет чёткий верхний предел, и существует значительный разрыв между ним и эффективностью Карно», — поясняет профессор Ма.

Решение было найдено в виде системы с так называемыми вырожденными энергетическими уровнями. Это означает, что каждый уровень обладает различными микроскопическими состояниями или конфигурациями, которые соответствуют одному и тому же энергетическому уровню. Вообще это явление представляет собой свойство квантовой системы, когда некая измеримая физическая величина, характеризующая систему во множестве различных состояний, принимает одинаковые значения. При этом количество различных состояний, соответствующих определённому энергетическому уровню, называется степенью вырождения этого уровня.

Вырождение (дегенерация).

Предложенная исследователями биохимическая модель системы теплового двигателя состоит из двух состояний: с низкой и высокой энергией, вмещающих, соответственно, гораздо меньше и гораздо больше молекулярных конфигураций. Таким образом более высокоэнергетическое состояние демонстрирует более высокую вырожденность.

В то же время существует два пути реакции, по которым происходят переходы между энергетическими уровнями. При низких температурах происходит реакция гидролиза АТФ, а при высоких температурах — самопроизвольный переход тепла от более горячей системы к более холодной.

Работает это потому, что высокие температуры естественным образом устремляют систему к высокоэнергетическому состоянию, открывая ей доступ ко множеству возможных конфигураций. Более низкие же температуры, напротив, благоволят реакции гидролиза АТФ, которая как раз и может перевести систему из состояния с низкой энергией в положение с высокой. Это повышает вероятность самопроизвольных переходов, что влечёт интересный эффект.

По мере увеличения размера системы, то есть по мере того, как высокоэнергетическое состояние может вмещать всё больше и больше конфигураций по сравнению с низкоэнергетическим состоянием, переходы становятся более резкими или похожими на переключение. Такие скачки из одной крайности в другую известны как фазовые переходы первого рода и сопровождаются минимальными потерями энергии.

«Построив минимальную модель, включающую эту функцию, мы смогли продемонстрировать, как она нарушает обычные термодинамические ограничения, и раскрыть физический механизм, лежащий в основе коллективного преимущества», — объясняет доктор Лианг.

Конец формы

Переосмысление границ.

Что ж, выводы весьма оптимистичны, хоть в чём-то и являются гипотетическими. Главная заслуга исследования в том, что новый биохимический двигатель на самом деле может достичь эффективности Карно, не жертвуя при этом максимальной выходной мощностью. Однако есть условие: эта мощность линейно зависит от размера системы. То есть достижение эффективности Карно возможно теоретически — по мере приближения размера системы к бесконечности, её эффективность будет всё более приближаться к пределу Карно. Грубо говоря, это означает, что чем большую такую систему мы создадим, тем выше будет её КПД.

 «Инженерные системы с состояниями высокой вырожденности могут значительно повысить эффективность тепловых двигателей, — рассказывает доктор Лианг о принципе построения своей модели. — Это похоже на то, как двигатель Карно, будучи идеализированной моделью, на протяжении веков направлял развитие практических тепловых двигателей. Даже если идеальная вырожденность недостижима, теперь мы знаем, что повышение вырожденности может быть ценной стратегией для разработки более эффективных тепловых двигателей».

Профессор Ма обращает внимание на ещё один примечательный момент, буквально расширивший горизонт научного воззрения.

«Наше исследование показывает, что эта универсальность нарушается в пределе большой вырожденности, — говорит он. — Порядок определения пределов эффективности Карно и вырождения влияет на коэффициент пропорциональности EMP [эффективности при максимальной мощности] по отношению к эффективности Карно. Это означает, что, когда система имеет расходящуюся внутреннюю величину, некоторые общепринятые термодинамические ограничения могут потребовать пересмотра».

Помимо открывшихся знаний и обусловленных ими перспектив, новая система содержит ещё одну изюминку: она работает как биохимический двигатель, способный синтезировать АТФ. Это может стать подобием Эльдорадо для медицинской биоинженерии и других сфер применения биологических систем.

Однако это всё найдёт применение только при одном условии — если тепловой двигатель с такими свойствами будет создан практически, а не гипотетически. Это крайне непростая задача, но доктор Лианг говорит, что у команды уже есть первый, но многообещающий кандидат на роль реального биохимического теплового двигателя. Это биополимеры — в своём естественном виде они обладают сильно вырожденными развёрнутыми состояниями.

 


АРМК, по материалам Science X.