Вчені Майнцького університету імені Йоганна Гутенберга і Університету Ерлангена — Нюрнберга працюють над тепловим двигуном, який складається із всього одного іона. Такий нанотепловий двигун може бути набагато ефективнішим, ніж, наприклад, двигун автомобіля або теплова електростанція. Звичайний тепловий двигун перетворює тепло на механічну енергію з відповідним ККД двигуна (до 25% на прикладі ДВЗ). Пропонований нанотепловий двигун, що складається з одного іона кальцію, має бути більш ефективним. Основна мета дослідження полягає в тому, щоб краще зрозуміти, як термодинаміка працює в дуже малих масштабах. Пілотний прототип такого одноіонного теплового двигуна наразі будується в університеті в Майнці.
Ефективність теплових двигунів визначається другим законом термодинаміки, одним із фундаментальних понять у фізиці. Ще в 1824 французький вчений Нікола Карно розрахував максимально можливу межу ефективності таких двигунів. У випадку нового пропонованого нанотеплового двигуна вчені теоретично здатні перевищувати класичну межу ефективності Карно.
Розрахунки і моделювання, зроблені близько року тому, показали, що термодинамічний потік у двигуні внутрішнього згоряння може бути відтворений за допомогою окремих іонів.
Ідея полягала в тому, щоб використати для цієї мети іон 40Ca, який має діаметр у мільйон разів менший, ніж у людської волосини. "Окремі іони можуть виступати в ролі поршня і приводного вала, або, іншими словами, являти собою весь двигун. Окремі іони вже захопили в пастку Пауля і, використовуючи лазерні промені й електричні поля, не тільки охолоджують і нагрівають, а й стискають. Це означає, що ми здатні керувати розподілом місцезнаходження імпульсів для оптимальної ефективності", - пояснив учений.
Оскільки механічна потужність машини з одного іона надзвичайно мала, то, ймовірно, вона може бути використана лише в нагріванні або охолодженні наносистем.
Вчені планують побудувати прототип двигуна в лабораторії.