El motor térmico más pequeño del mundo

Un micrómetro es una milésima de milímetro, y esa escala tiene un minúsculo motor de vapor, de tipo Stirling, que han construido unos investigadores alemanes. Y funciona, pese a que no las tenían todas consigo, porque sabían que una tecnología que funciona a gran escala puede provocar problemas cuando se reproduce a pequeña escala. “Hemos disminuido con éxito el tamaño de las partes esenciales de un motor térmico, como el gas y el pistón, a sólo unas pocas micras, y lo hemos ensamblado en una máquina”, explica Valentin Blickle, investigador de la Universidad de Stuttgart y del Instituto Max Planck (Alemania) que ha hecho el micromotor junto con su colega Clemens Bechinger. El artefacto no es que tenga, de momento, una aplicación práctica, pero es un experimento interesante porque demuestra que nada impide, en principio, la construcción de pequeños motores de este tipo y eficaces. Blickle y Bechinger explican cómo lo han hecho en la revista Nature Physics.

“Hemos desarrollado el motor térmico más pequeño del mundo, o más precisamente, el motor Stirling más pequeño, y hemos descubierto que la máquina realmente desarrolla trabajo”, dice Bechinger. “Esto no tenía obligatoriamente que ser así, porque la máquina es tan minúscula que su movimiento resulta entorpecido por procesos microscópicos que no tiene importancia en el macromundo”. Esos procesos entorpecidos hacen que la máquina no funciones suavemente, que petardee, como puede pasar, por otro lado, en un motor de tamaño normal, añade.

El experimento demuestra que nada impide, en principio, la construcción de pequeños motores de este tipo

En el motor inventado hace casi 200 años por el británico Robert Stirling, un cilindro lleno de gas se enfría y calienta sucesivamente de manera que el gas se contrae y se expande, desplazando un pistón capaz de mover un mecanismo, por ejemplo, una rueda, explican los expertos del Instituto Max Planck. Para reducir esta máquina a escala de micras, los investigadores adaptan sus componentes de manera que en lugar de gas, se utiliza una única bolita de plástico que mide tres micras y que flota en agua. Es minúscula (unas 10.000 veces mayor que un átomo), pero suficiente para poder ser observada en movimiento directamente con un microscopio. El pistón, que en un motor Stirling convencional se desplaza arriba y abajo constantemente dentro del cilindro, es sustituido en su versión reducida por un haz de laser cuya intensidad varía periódicamente. El láser, explican los investigadores, limitan el movimiento de la bolita de plástico en un grado mayor o menor, como la comprensión y la expansión del gas en el cilindro del motor de escala normal. El proceso tiene lugar a diferentes temperaturas, y esto se logra calentando el sistema desde el exterior, también con láser, durante la fase de expansión, como si fuera la caldera de un motor de vapor. Este haz de laser también permite enfriar el agua inmediatamente, en cuanto se apaga.

En cuanto al petardeo del minúsculo motor, los investigadores explican que se debe a las moléculas de agua que rodean la bolita de plástico. Esas moléculas están en constante movimiento debido a su temperatura y chocan constantemente con la bolita. En esas colisiones se intercambia energía en una magnitud similar a la de conversión de energía en trabajo que realiza el motor. “Esto significa que la cantidad de energía ganada varía mucho entre ciclo y ciclo e incluso detiene la máquina en el caso extremo”, explica Blickle. En los motores convencionales el efecto minúsculo de estas colisiones del gas carecen de importancia dado que convierte mucha más energía (unas 20 órdenes de magnitud).

Pero con todo, la pequeña máquina funciona. “Nuestro experimento nos proporciona un enfoque iniciar sobre el equilibrio energético de un motor térmico operando con dimensiones microscópicas”, concluye Bechinger.