211service.com
Natuurkundigen zetten informatie om in energie
Hier is een fascinerend stuk werk. Bouw een kleine trap en plaats een kleine piepschuimkraal op de onderste trede (een trap is vrij eenvoudig te bouwen met behulp van elektrische velden).
Het is gemakkelijk te zien hoe de kraal heen en weer wordt geduwd door de willekeurige beweging van moleculen in de omringende lucht, het bekende fenomeen van de Brownse beweging.
Meestal heeft de Brownse beweging de neiging om de kraal van de trap te slaan, maar soms is het gedrang krachtig genoeg om de kraal een trede op te duwen.
Houd de kraal nauwlettend in de gaten met behulp van een videocamera en elke keer dat je hem een stap omhoog ziet gaan, verander je het elektrische veld zodat het niet weer naar beneden kan vallen. Dit is als het plaatsen van een barrière achter de kraal.
Terwijl je dit proces herhaalt, zal de kraal de trap op gaan, aangedreven door Brownse beweging.
Dit is precies het experiment dat Shoichi Toyabe van de Chuo University in Tokyo en een paar maatjes met succes hebben uitgevoerd. De implicatie is dat de kraal op de een of andere manier in staat is om energie uit de omgeving te halen, wat op het eerste gezicht lijkt op een flagrante schending van de 2e wet van de thermodynamica.
Natuurlijk is er meer aan de hand dan op het eerste gezicht lijkt. Het werk van Toyabe en co is een experimentele versie van de beroemde demon van Maxwell. Stel je een doos voor die gevuld is met lucht maar in tweeën wordt gedeeld door een barrière. De demon van Maxwell is een denkbeeldig wezen dat in staat is om de barrière te openen om snel bewegende moleculen door te laten, terwijl hij deze sluit voor langzamere.
Uiteindelijk komen de snel bewegende moleculen aan de ene kant van de barrière terecht die heter wordt dan de andere kant, ook al is er geen energie aan het systeem toegevoegd.
De vraag is of de demon van Maxwell de 2e wet van de thermodynamica schendt, namelijk dat warmte niet vanzelf van een koel naar een heet systeem kan stromen.
De meest recente gedachte is dat de demon van Maxwell de 2e wet van de thermodynamica niet schendt, omdat hij de snelheid van alle moleculen moet meten voordat hij beslist welke hij doorlaat en dit kost energie. Wanneer hiermee rekening wordt gehouden, is er geen sprake van een overtreding.
Maar hier is het merkwaardige. Er is geen conventionele overdracht van energie in het systeem: geen verwarming of versnelling van moleculen of iets dergelijks. In plaats daarvan lijkt informatie zelf het medium te zijn waardoor energie wordt overgedragen.
Dat soort denken was tot nu toe een theoretische curiositeit. Toyabe en vrienden hebben het daadwerkelijk gedaan, de eerste experimentele demonstratie van dit soort energietransmissie. In feite hebben ze informatie in dit systeem omgezet in energie.
Er is hier geen schending van de thermodynamica. Deze jongens gebruiken een videocamera om de positie van de kraal te bepalen, dus als rekening wordt gehouden met het energiebudget van de camera, werkt alles zoals de wetten van de thermodynamica voorspellen.
Het is moeilijk om de betekenis van wat ze hebben gedaan te overschatten: ze hebben een nanomachine kunnen bedienen - een trapklimmende kraal - met niets meer dan informatie als stroomvoorziening.
Dit, zeggen ze, is een geheel nieuw type motor dat ze een informatie-warmtemotor noemen, en het is niet moeilijk om je het potentieel ervan voor te stellen.
Het betekent dat het nu mogelijk is om nanomachines van stroom te voorzien met informatie als medium om energie over te dragen, zelfs als er geen direct contact is met de nanomachine.
De taak is nu om het sensorsysteem te verkleinen. Een videocamera is een fors ding om rond te rijden. Het zou duidelijk handig zijn om een microscopische manier te vinden om de omgeving waar te nemen en de verzamelde informatie te gebruiken om een nano-apparaat van stroom te voorzien.
Het is nog niet duidelijk hoe dit kan, maar je kunt er zeker van zijn dat Toyabe en vrienden eraan werken. Het idee kan zelfs elders enige interesse wekken.
Referentie: arxiv.org/abs/1009.5287 : Informatie Warmtemotor: informatie omzetten in energie door feedbackregeling