Sau DeepSeek, Trung Quốc tạo đột phá về động cơ, thách thức nền tảng vật lý - công nghệ đã tồn tại hàng trăm năm qua

Nghiên cứu mới không chỉ thách thức rào cản khoa học truyền thống mà còn đặt nền móng cho thế hệ động cơ nhiệt hiệu quả hơn, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn trong sản xuất năng lượng và công nghệ vận tải tương lai.

Các nhà khoa học Trung Quốc đang thách thức nền tảng nhiệt động lực học cổ điển với một nghiên cứu đột phá, cho thấy động cơ nhiệt có thể đạt đồng thời công suất tối đa và hiệu suất cao - một điều trước đây bị coi là bất khả thi.

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí học thuật Physical Review Letters vào tháng trước, đã phá vỡ nguyên tắc truyền thống buộc động cơ phải đánh đổi giữa hiệu suất và công suất.

Phát hiện này có thể mở đường cho những cải tiến mang tính cách mạng trong công nghệ chuyển đổi năng lượng, giúp phát triển các động cơ nhiệt hiệu quả hơn.

Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực động cơ, nghiên cứu còn mở ra triển vọng cải tiến các cỗ máy sinh học nano, như enzyme, thông qua kiểm soát nhiệt độ chính xác. Điều này có thể giúp nâng cao hiệu suất của các nhà máy tế bào nhân tạo trong sản xuất dược phẩm, nhiên liệu sinh học và vật liệu tiên tiến.

Phá vỡ các giới hạn

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Sư phạm Bắc Kinh, Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne cùng các cộng sự đã thiết kế một mô hình động cơ đơn giản hóa, tận dụng sự thoái hóa mức năng lượng cao. Theo nhóm tác giả, phương pháp này giúp khai thác hiệu ứng tập thể, vượt qua giới hạn đánh đổi giữa hiệu suất và công suất vốn được coi là nguyên tắc bất di bất dịch trong nhiệt động lực học.

Nghiên cứu cho thấy khi nhiều bộ phận nhỏ của hệ thống phối hợp nhịp nhàng, quá trình chuyển đổi năng lượng có thể đạt hiệu quả cao hơn, mở ra hướng đi mới cho công nghệ tương lai.

Động cơ nhiệt vốn hoạt động bằng cách khai thác sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh để chuyển đổi nhiệt thành công cơ học. Nguyên lý này đã được ứng dụng từ động cơ hơi nước đến nhà máy điện, góp phần tạo ra điện năng và chuyển động.

Trong động cơ ô tô, nhiên liệu cháy sinh nhiệt, làm giãn nở khí và đẩy piston để tạo lực. Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của động cơ nhiệt là sự đánh đổi giữa hiệu suất và công suất: tối ưu hóa hiệu suất đồng nghĩa với việc giảm công suất đầu ra, và ngược lại.

Ví dụ, một động cơ tối đa hóa hiệu suất bằng cách trích xuất năng lượng một cách chậm rãi sẽ tạo ra ít công suất hữu ích - tương tự như một chiếc xe di chuyển quá chậm để có thể vận hành hiệu quả. Ngược lại, nếu động cơ vận hành nhanh để tạo ra nhiều năng lượng hơn, nó sẽ mất một phần lớn nhiệt lượng vào môi trường, làm giảm hiệu suất tổng thể.

Để vượt qua rào cản đánh đổi giữa hiệu suất và công suất, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình động cơ nhiệt hoạt động khác biệt so với động cơ truyền thống.

Thay vì bị giới hạn bởi một số trạng thái năng lượng cố định, mô hình này tận dụng hệ thống với nhiều trạng thái năng lượng có sẵn, mở rộng cách thức phân phối năng lượng bên trong động cơ.

Theo nhóm nghiên cứu, khi tăng số lượng cách phân phối năng lượng, động cơ có thể đạt được cả hiệu suất cao lẫn công suất tối đa cùng lúc—một điều chưa từng có trước đây.

Cốt lõi của mô hình này là khai thác hiệu ứng tập thể. Thay vì xem động cơ như một thực thể đơn lẻ, các nhà khoa học phân tích cách các bộ phận nhỏ trong hệ thống tương tác với nhau. Các trạng thái năng lượng liên kết này tạo ra sự cộng hưởng, giúp động cơ vận hành hiệu quả hơn so với các giả định trước đây.

Quá trình này có thể được so sánh với một đội chèo thuyền hoạt động đồng bộ: khi tất cả thành viên phối hợp nhịp nhàng, họ có thể đạt tốc độ và hiệu suất tối đa, thay vì từng cá nhân hoạt động riêng lẻ.

Tham khảo South China Morning Post (SCMP)

>> Cảnh báo khẩn cấp về vi khuẩn gương có thể gây đại dịch hủy diệt mọi sự sống trên Trái Đất