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Criado menor motor a vapor do mundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2011

O que seria motivo para procurar imediatamente uma oficina se ocorresse no motor do seu carro é algo completamente normal para o micromotor a vapor.

Funciona

"Nós construímos o menor motor a vapor do mundo, ou, para ser mais preciso, o menor motor Stirling do mundo, e descobrimos que a máquina realmente produz trabalho," afirmou o Dr. Clemens Bechinger, da Universidade de Stuttgart, na Alemanha.

E o pesquisador se apressa em explicar o espanto com algo que pode soar como óbvio - o fato de um motor converter energia em trabalho.

"Isto não era algo a ser necessariamente esperado porque a máquina é tão pequena que seu movimento é atrapalhado por processos microscópicos que não têm consequências no mundo macroscópico," esclarece ele.

Leis da física

O que seria motivo para procurar imediatamente uma oficina se ocorresse no motor do seu carro é algo completamente normal para o micromotor a vapor.

As movimentações termais de partículas microscópicas fazem o motor tremer, vibrar, falhar e, eventualmente, até mesmo parar.

E este não é um problema exclusivo dos micromotores.

Os MEMS (sistemas microeletromecânicos), por exemplo, podem simplesmente travar e serem inutilizados pela força de Casimir, ou sofrerem um desgaste incrivelmente rápido quando comparados com máquinas grandes.

Ou seja, esse fenômeno é de natureza fundamental: as leis da física que prevalecem são diferentes no mundo micro e no mundo macro.

É por isso que os pesquisadores estão dando tanta importância ao seu experimento com o menor motor de calor do mundo: ao funcionar, o pequeno motor comprovou que não há nada em princípio que impeça a construção de motores de calor de alta eficiência em microescala.

Micromotor Stirling

Se os princípios não são os mesmos, o motor miniaturizado não é exatamente um motor Stirling literalmente encolhido: os cientistas tiveram que reinventar o motor em microescala.

O motor inventado por Robert Stirling há quase 200 anos consiste em um cilindro cheio gás que é periodicamente aquecido e resfriado, fazendo com que o gás se expanda e se contraia.

Esse movimento de expansão e contração movimenta um pistão, que pode então ser usado para girar uma roda, por exemplo.

No motor miniaturizado, o gás não é mais do que uma minúscula esfera plástica circundada por água, uma partícula coloidal, que mede cerca de 10.000 vezes mais do que um átomo.

O pistão, por sua vez, foi substituído por um feixe de raio laser, cuja intensidade varia periodicamente. As forças ópticas do laser variam a amplitude máxima do movimento da partícula coloidal, tal como a compressão e a expansão do gás no motor em escala macro.

A partícula então exerce um trabalho sobre o campo óptico do laser.

A fim de que as contribuições para o trabalho não se cancelem mutuamente durante a compressão e a expansão, esses ciclos devem ocorrer em temperaturas diferentes.

Isto é feito injetando calor no sistema, como faz a caldeira de um motor a vapor normal - com a diferença de que a lenha e o carvão foram substituídos por outro laser pulsado, que aquece a gotícula rapidamente quando está ligado, e deixa que ela resfria quando está desligado.

Ações moleculares

O funcionamento irregular e "crepitante" do micromotor deve-se às moléculas de água, que colidem continuamente com a esfera plástica.

Nessas colisões aleatórias, a esfera plástica troca energia com seu entorno na mesma ordem de magnitude que o micromotor converte energia em trabalho.

É por isto que, vez por outra, o micromotor a vapor simplesmente trava.

Já em um motor a vapor de tamanho macro, a conversão de energia é 20 ordens de magnitude maior do que a energia das moléculas de energia, o que torna o fenômeno irrelevante.

Mas o fato de que ele funcione deixou os cientistas animados de que pode ser possível otimizar o funcionamento dos motores em microescala, tornando-os uma alternativa também para as micromáquinas, sejam MEMS ou microrrobôs.

 

Bibliografia:

Realization of a micrometre-sized stochastic heat engine
Valentin Blickle, Clemens Bechinger
Nature Physics
11 December 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/NPHYS2163