Международная группа учёных из Пекинского педагогического университета и Центра системной биологии Дрездена совершила значительный прорыв в области термодинамики. Исследователи теоретически доказали возможность создания теплового двигателя, способного достигать максимальной мощности при приближении к эффективности цикла Карно.

Тепловой двигатель Карно — это термодинамическое устройство, преобразующее тепло в механическую работу путём циркуляции между горячим и холодным резервуарами. Согласно второму закону термодинамики, эффективность реального теплового двигателя всегда ниже эффективности идеального двигателя Карно. До сих пор считалось, что для достижения высокой эффективности двигатель должен работать бесконечно медленно, что делает его практически бесполезным с точки зрения производства энергии.

Учёные разработали модель биохимического теплового двигателя, использующего систему с вырожденными энергетическими уровнями. В этой системе каждый энергетический уровень может иметь различные состояния при одинаковой энергии. Модель включает два состояния — низкое и высокое энергетическое, причём высокоэнергетическое состояние способно вместить значительно больше молекулярных конфигураций.

Переходы между энергетическими уровнями осуществляются двумя путями: через АТФ-гидролиз при низких температурах и спонтанно при высоких температурах. При увеличении размера системы переходы становятся более резкими, что минимизирует потери энергии.

Исследователи продемонстрировали, что их биохимический двигатель может достичь эффективности Карно при сохранении максимальной выходной мощности по мере приближения размера системы к бесконечности. Мощность растёт линейно с размером системы, в то время как эффективность приближается к пределу Карно.

Это открытие опровергает так называемый «принцип универсальности 1/2», согласно которому тепловые двигатели, работающие в режиме линейного отклика, могут достичь лишь половины эффективности Карно при максимальной мощности.

Следующим шагом станет поиск практических тепловых двигателей с подобными свойствами. Перспективными кандидатами являются биополимеры, которые естественным образом обладают сильно вырожденными развёрнутыми состояниями.