Apostant amb la calor: Un nou motor que supera a Carnot

• L'estudi, publicat a Physical Review Letters, presenta el «Motor de Carnot Ludificat», un motor tèrmic controlat per realimentació que pot superar l'eficiència de Carnot i aconseguir la conversió total de calor en treball en condicions realistes.
• La recerca és fruit de la col·laboració entre el CIFT (Itàlia), la École Normale Supérieure (França), la Universitat de Potsdam (Alemanya) i l’IFISC (UIB-CSIC, Espanya).

Uns investigadors han proposat un nou tipus de motor tèrmic microscòpic que desafia un dels principis més antics de la termodinàmica. En combinar els coneixements de les estratègies de joc amb un control de realimentació avançat, l'anomenat «Motor de Carnot Ludificat» (GCE, Gambling Carnot Engine) pot extreure treball de la calor amb eficiències superiors al límit de Carnot, el màxim teòric tradicional per a qualsevol motor tèrmic clàssic.

L'estudi, publicat a Physical Review Letters, presenta un protocol de retroalimentació experimentalment realitzable aplicat a un motor Carnot brownià, una màquina microscòpica en la qual una partícula col·loidal suspesa en un fluid és confinada i manipulada per forces externes. A diferència dels motors tradicionals, el GCE combina recursos tèrmics amb informació sobre les fluctuacions aleatòries del sistema per a decidir el moment òptim d'intervenció, de manera similar als jugadors que fan apostes amb probabilitats favorables. Aquesta sincronització intel·ligent permet al motor millorar tant la potència com l'eficiència, acostant-se a la conversió perfecta de calor en treball en el límit ideal de cicles infinitament lents.

«El nostre treball demostra que la informació pot utilitzar-se com a recurs físic per a saltar-se els límits termodinàmics tradicionals», afirma l'investigador de l’IFISC (CSIC-UIB) Gonzalo Manzano. «Aplicant una regla de retroalimentació inspirada en el joc, podem dissenyar motors que no sols superen l'eficiència de Carnot a màxima potència, sinó que, en principi, s'acosten al 100% d'eficiència en condicions ideals».

En el cor del mecanisme es troba un «dimoni del joc», un controlador extern que supervisa contínuament el moviment aleatori d'una partícula browniana. Quan es compleix una condició predeterminada, a saber, que la partícula creui una posició crítica, el motor realitza un ajust sobtat i sense costos. Aquesta intervenció redueix el malbaratament d'energia i augmenta el rendiment global. L'estratègia utilitza eines matemàtiques de la teoria de la martingala, que descriu les estadístiques dels successos aleatoris, de manera semblant a l'anàlisi de les probabilitats en els jocs d'atzar.

Els autors van validar les seves prediccions teòriques amb simulacions numèriques, que van confirmar que el GCE supera sistemàticament al seu homòleg clàssic en condicions de laboratori realistes. En concret, l'eficiència del motor no sols supera el límit de Carnot, sinó també el de Novikov-Curzon-Ahlborn, un paràmetre considerat durant molt de temps el sostre de l'eficiència a màxima potència en motors convencionals.

Els investigadors subratllen que les seves troballes no violen la segona llei de la termodinàmica. Al contrari, amplien el seu abast: quan la informació sobre un sistema es té en compte com un autèntic recurs, sorgeixen noves possibilitats d'extreure energia útil. «El Motor de Carnot Ludificat és més que una curiositat teòrica», afegeix Manzano. «Els seus principis podrien inspirar una nova generació de màquines microscòpiques en les quals el control basat en la informació permeti aconseguir nivells de rendiment que abans es consideraven impossibles».

Més enllà de la física estadística, la recerca subratlla el creixent paper de la informació com a moneda termodinàmica. Els resultats obren vies per a demostracions experimentals de retroalimentació inspirada en el joc en sistemes col·loidals, i poden influir en el disseny de dispositius microscòpics de captació d'energia, detecció i computació a la vora dels límits físics.

De cara al futur, l'equip planeja investigar les compensacions entre els beneficis energètics de tals motors i els costos d'adquirir informació a alta velocitat. Comprendre aquest equilibri serà crucial per a desenvolupar nanotecnologies pràctiques impulsades per fluctuacions.

T. Tohme, V. Bedoya, C. di Bello, L. Bresque, G. Manzano, and É. Roldán, Gambling Carnot Engine, Physical Review Letters 135, 067101 (2025). DOI: 10.1103/w8cx-xx1z