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Ciência e Tecnologia

Pesquisadores Criam Motor de Informação que Converte Calor em Trabalho: Avanço Revolucionário na Física

Construir Motores de Informação funcionais em laboratório, até recentemente, isso era apenas um experimento mental, mas avanços tecnológicos tornaram possível . Com financiamento do Foundational Questions Institute, os professores de Física da SFU, John Bechhoefer e David Sivak, uniram forças para construir um motor de informação e testar seus limites. Seu trabalho avançou muito nossa compreensão de como esses motores funcionam, e um artigo liderado pelo pesquisador pós-doutorado Johan du Buisson e publicado recentemente na Advances in Physics: X resume as descobertas feitas durante essa colaboração. “Vivemos em um mundo cheio de energia extra não utilizada que potencialmente poderia ser aproveitada”, diz Bechhoefer.

Compreender como os motores de informação funcionam não só pode nos ajudar a aproveitar essa energia, mas também sugerir maneiras de redesenhar motores existentes para usar energia de forma mais eficiente, e nos ajudar a entender como os motores biológicos funcionam em organismos e no corpo humano. O motor de informação da equipe consiste em uma pequena esfera em um banho de água que é mantida no lugar com uma armadilha óptica. Quando as flutuações na água fazem a esfera se mover na direção desejada, a armadilha pode ser ajustada para evitar que a esfera retorne ao lugar onde estava antes. Ao fazer medições precisas da localização da esfera e usando essas informações para ajustar a armadilha, o motor é capaz de converter a energia térmica da água em trabalho.

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Para entender quão rápido e eficiente o motor poderia ser, a equipe testou múltiplas variáveis como a massa da esfera e a frequência de amostragem, e desenvolveu algoritmos para reduzir a incerteza de suas medições. “Reduzido à sua essência mais simples, podemos entender sistematicamente como coisas como temperatura e o tamanho do sistema mudam as coisas das quais podemos tirar vantagem”, diz Sivak. “Quais são as estratégias que funcionam melhor? Como elas mudam com todas essas propriedades diferentes?” A equipe conseguiu alcançar a velocidade mais rápida registrada até o momento para um motor de informação, aproximadamente dez vezes mais rápida do que a velocidade de E. coli, e comparável à velocidade de bactérias móveis encontradas em ambientes marinhos. Em seguida, a equipe quis saber se um motor de informação poderia colher mais energia do que custa para funcionar.

“Em equilíbrio, isso é sempre uma perda”. “Os custos de coletar a informação e processá-la sempre excederão o que você está obtendo dela, mas quando você tem um ambiente que tem energia extra, [moléculas fazendo] movimentos extras, então isso pode mudar o equilíbrio se for forte o suficiente.” Eles descobriram que em um ambiente de não equilíbrio, onde o motor estava em um banho de calor com uma temperatura mais alta do que o aparato de medição, ele poderia produzir significativamente mais energia do que custava para funcionar. Toda a energia na Terra vem do sol e eventualmente se irradia para o espaço. Esse fluxo direcional de energia se manifesta de muitas maneiras diferentes, como vento ou correntes oceânicas que podem ser aproveitadas. Compreender os princípios por trás dos motores de informação pode nos ajudar a fazer um melhor uso dessa energia.

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“Estamos abordando [a colheita de energia] de um ponto de vista muito diferente, e esperamos que essa perspectiva diferente possa levar a algumas ideias diferentes sobre como ser mais eficiente”. O par está ansioso para trabalhar junto em outros projetos no futuro. “Fomos sortudos de conseguir uma bolsa conjunta. Isso realmente ajudou na colaboração”, diz Bechhoefer e Sivak, trazem abordagens complementares para seu trabalho, e eles têm conseguido atrair alunos que desejam trabalhar com ambos. “Temos estilos diferentes em termos de como conduzimos a orientação e lideramos um grupo”. “Nossos alunos e pós-doutores podem se beneficiar de ambas as abordagens.”

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