Создавая демона
Каких только проектов ни насочиняли. Одни предлагают запустить на орбиту гигантские зеркала, чтобы те обогревали Землю солнечными зайчиками. Другие надеются вывести трансгенные бактерии, которые будут перерабатывать пластиковый мусор в метан и солярку. Третьи предлагают добывать на Луне гелий-3. Во Франции строят термоядерный реактор, в Америке совершенствуют водородный двигатель.
Все эти проекты по-своему прекрасны, но, увы, не идеальны. Нам куда больше пригодился бы банальный вечный двигатель. Только построить такой двигатель из рычажков, пружинок и колесиков, как известно каждому школьнику, нельзя. Это противоречило бы закону сохранения энергии или, что по сути то же самое, первому началу термодинамики.
Но ведь еще в XIX веке ученые придумали другой тип вечного двигателя. Он не конфликтует с первым началом термодинамики, зато нарушает второе, известное еще как закон неубывания энтропии. Если коротко, то он состоит в том, что любая замкнутая система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное.
Одним из следствий этого закона является крайне обидная для жителей северных стран вещь. Передача тепла от холодного тела к горячему без потерь энергии невозможна. То есть охладить морозный воздух еще на пару градусов, чтобы за счет этого нагреть ваш дом, не получится. Дров или электричества для этого понадобится куда больше, чем если бы вы потратили их непосредственно на обогрев.
Выходит, что у человечества под ногами валяется куча бесхозной энергии, которую оно не может использовать. А ведь если охладить мировой океан хотя бы на одну тысячную долю градуса, выделится столько теплоты, что хватит всем мартеновским печам и котельным мира вместе взятым.
Ужасная несправедливость, верно? Исправить ее хотели многие. В том же XIX веке знаменитый Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент, позволяющий “обойти” второе начало термодинамики, не нарушая остальных фундаментальных физических законов. Представьте сосуд, разделенный на две части заслонкой. По одну сторону вакуум, по другую — газ. Около заслонки дежурит волшебное существо — демон Максвелла, который сортирует молекулы. Если молекула движется быстро, он пропускает ее в другую часть сосуда. Если медленно — заслонка остается закрытой. Рано или поздно в одной части сосуда скопится холодный газ, а в другой горячий. Красота! Не потратив энергии, мы создали разницу температур, которую можно использовать для работы.
Физики назвали гипотетическую тепловую машину, “оборудованную” демоном Максвелла, вечным двигателем второго рода. Если бы ее удалось создать, все энергетические проблемы человечества были бы решены. Но можно ли создать приборчик, умеющий выполнять работу демона? До сих пор казалось, что нет. Волшебный навык сортировать молекулы, в частности, не очень стыкуется с некоторыми положениями квантовой механики.
Но на прошлой неделе исследовательская группа из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Алекса Зеттла опубликовала в журнале Science сенсационный материал. Зеттлу с коллегами удалось создать первый в мире фононовый диод из углеродных нанотрубок, покрытых платиной. Фононы — это виртуальные кванты тепла. Это не настоящие частицы, как электроны или фотоны, но ведут они себя вполне “по-частичному”. А группа Зеттла научилась управлять их движением.
Подобно электрическому диоду, который меняет сопротивление в зависимости от направления тока, фононовый диод меняет теплопроводность. Пока его эффективность невысока: в одну сторону он пропускает лишь на 7% больше фононов, чем в другую. Но лиха беда начало. Если ученые сумеют создать на основе диода фононовый транзистор, это и будет, по сути, демон Максвелла.
И вот тогда заживем. По материалам «Ведомостей».
