Le plus petit moteur thermique du monde !

Des chercheurs de l’Université de Stuttgart et de l’Institut Max-Planck pour les systèmes intelligents ont pu observer le fonctionnement d’un moteur thermique à l’échelle micrométrique !

Ils ont ainsi déterminé que la machine en question effectuait son travail correctement. Bien que le dispositif ne peut être utilisé en l’état, l’expérience réalisée par les chercheurs de Stuttgart montre que le moteur fonctionne fondamentalement, même s’il s’applique à une échelle microscopique. Cela signifie qu’il n’y a rien, en principe, pour empêcher la construction de moteurs thermiques de petites tailles à hauts rendements.

Une technologie qui fonctionne à taille humaine peut toutefois causer des problèmes inattendus à une échelle plus petite. Et ces problèmes peuvent s’avérer de nature fondamentale. En effet, des lois différentes prévalent dans le monde de la micro et de la macro. Malgré ces différentes lois, certaines propriétés physiques restent étonnamment semblables sur les 2 échelles, grandes et petites. Clemens Bechinger, professeur à l’Université de Stuttgart et ses collègues de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont réussi à observer quelques unes de ces similitudes.

"Nous avons développé le moteur à vapeur le plus petit au monde, ou pour être plus précis le plus petit moteur Stirling. Nous avons constaté que la machine accomplissait vraiment sa tâche", indique Clemens Bechinger. "Ce constat n’était pas nécessairement attendu, car la machine est si petite que son mouvement pouvait être entravé par des processus microscopiques qui sont sans conséquences dans le monde macroscopique."

A cause des lois qui régissent le monde microscopique, les chercheurs n’ont pas été en mesure de concevoir le minimoteur en se basant sur le schéma d’un modèle à taille normale. Dans le moteur thermique inventé il y a presque 200 ans par Robert Stirling, une bouteille remplie de gaz est périodiquement chauffée et refroidie pour que ce même gaz se dilate et se contracte. Ce processus fait qu’un piston peut exécuter un mouvement qui entraîne une roue, par exemple.

"Nous avons réussi à diminuer la taille des parties essentielles du moteur thermique, (chambre à gaz et piston), à seulement quelques micromètres avant de les assembler en un composant unique", détaille Valentin Blickle. Le gaz injecté dans l’expérience n’est donc plus constitué d’un nombre important de molécules, mais d’une seule bille plastique mesurant seulement trois micromètres (un micromètre correspondant à un millième de millimètre) qui flotte dans l’eau. Depuis que la particule colloïdale est d’environ 10.000 fois plus grande qu’un atome, les chercheurs peuvent observer directement son mouvement dans un microscope.

Les physiciens ont remplacé le piston, qui se déplace régulièrement de haut en bas dans un cylindre, par un faisceau laser focal dont l’intensité varie périodiquement. Les forces optiques du laser limitent ainsi le mouvement de la particule de plastique dans un champ d’action plus ou moins grand, comme la compression et l’expansion du gaz dans le cylindre d’un moteur thermique.

La particule peut ensuite travailler sur le champ du laser optique. Pour que la force de travail ne s’annule pars lors des phases de compression et d’expansion, elles doivent avoir lieu à différentes températures. Cela se fait en chauffant le système de l’extérieur durant le processus d’expansion, tout comme la chaudière d’une locomotive à vapeur. Les chercheurs ont remplacé le charbon du moteur à vapeur par un faisceau laser qui chauffe l’eau soudainement, mais aussi permet de le refroidir dès que le laser est coupé.

Les molécules d’eau sont constamment en mouvement à cause de la température et en collision permanente avec la microparticule. Dans ces collisions aléatoires, les particules de plastique échangent de l’énergie avec son environnement sur le même ordre de grandeur que la micromachine convertit l’énergie dans son travail. "Cet effet signifie que la quantité d’énergie gagnée varie grandement d’un cycle à l’autre, et stoppe même la machine dans les cas extrêmes", explique Valentin Blickle. Alors que les machines macroscopiques convertissent environ 20 fois plus d’énergie à son échelle, les collisions microscopiques des plus petites particules entres elles ne sont pas si importantes.

Les physiciens sont d’autant plus étonné que la machine convertit autant d’énergie par cycle en moyenne, malgré la puissance variable, et fonctionne avec la même efficacité que son homologue macroscopique en pleine charge. "Nos expériences nous fournissent un premier aperçu du bilan énergétique du fonctionnement d’un moteur thermique dans des dimensions microscopiques. Bien que notre machine ne fournit aucun travail utile encore, il n’y a pas d’obstacles thermodynamiques, en principe, qui interdisent cela dans des dimensions réduites," déclare pour conclure Clemens Bechinger.