Cientistas desenvolvem dispositivo de informação que transforma calor em energia: Progresso inovador na área da Física

Até recentemente, a construção de motores de informação funcionais em laboratório era apenas uma ideia teórica, porém graças aos avanços tecnológicos, isso se tornou possível. Com o financiamento do Instituto de Questões Fundamentais, os professores de Física da SFU, John Bechhoefer e David Sivak, se uniram para criar e testar um motor de informação. Seu trabalho foi fundamental para a compreensão do funcionamento desses motores e um artigo, liderado pelo pesquisador pós-doutorado Johan du Buisson e recentemente publicado no Advances in Physics: X, resume as descobertas feitas durante essa colaboração. “Bechhoefer acredita que vivemos em um mundo cheio de energia que pode ser aproveitada, mas que ainda não é aproveitada.

Entender o funcionamento dos motores de informação pode nos ajudar a aproveitar sua energia e também sugerir formas de aprimorar motores já existentes para que usem a energia de maneira mais eficiente. Além disso, essa compreensão pode nos auxiliar a entender o funcionamento dos motores biológicos presentes nos organismos e no corpo humano. O motor de informação da equipe é composto por uma pequena esfera imersa em um banho de água, que é mantida no lugar por meio de uma armadilha óptica. Quando as flutuações da água movem a esfera na direção desejada, a armadilha pode ser ajustada para impedir que ela retorne à sua posição inicial. Ao medir com precisão a localização da esfera e utilizar essas informações para ajustar a armadilha, o motor é capaz de converter a energia térmica da água em trabalho.

Para compreender a velocidade e eficiência potencial do motor, o time conduziu testes com vários fatores, como a massa da esfera e a frequência de amostragem, e criou algoritmos para minimizar a incerteza das medições. “Simplificando, podemos sistematicamente entender como fatores como temperatura e tamanho do sistema influenciam nas vantagens que podemos obter”, declara Sivak. “Quais são as melhores estratégias? Como elas variam de acordo com essas diferentes propriedades?” A equipe alcançou a maior velocidade já registrada para um motor de informação, cerca de dez vezes mais rápido que a velocidade de E. coli e comparável à velocidade de bactérias móveis encontradas em ambientes marinhos. Em seguida, a equipe se questionou se um motor de informação poderia gerar mais energia do que consome para funcionar.

Sempre que um sistema está em equilíbrio, haverá uma diminuição. Os gastos para coletar e processar informações sempre excederão o que é obtido delas, mas em um ambiente com energia extra, como moléculas em movimento, esse equilíbrio pode ser alterado se for forte o suficiente. Foi constatado que em um ambiente desequilibrado, onde o motor estava em um banho térmico com temperatura mais elevada do que o dispositivo de medição, ele pode gerar mais energia do que o necessário para funcionar. Toda a energia presente na Terra vem do sol e, eventualmente, se dissipa para o espaço. Esse fluxo unidirecional de energia se manifesta de diversas formas, como por exemplo, vento ou correntes oceânicas, que podem ser aproveitados. Ao compreender os princípios por trás dos motores de informação, podemos utilizar melhor essa energia.

Nós estamos explorando a [captação de energia] de uma perspectiva bastante distinta e esperamos que essa visão diferenciada possa gerar novas ideias sobre como ser mais eficiente. O casal está entusiasmado em colaborar em outros projetos no futuro. “Tivemos a sorte de receber uma bolsa conjunta. Isso realmente contribuiu para a colaboração”, afirmam Bechhoefer e Sivak, que trazem abordagens complementares para o seu trabalho e têm sido capazes de atrair estudantes interessados em trabalhar com ambos. “Dentro do nosso grupo, há uma variedade de estilos de orientação e liderança.” “Tanto nossos alunos quanto pós-doutorandos podem aproveitar as vantagens de ambas as abordagens.”