I když mechanismy na principu tepelného stroje poháněly i řadu jiných zařízení než jen parní lokomotivy, jedna věc byla jim všem společná – všechny měly či mají rozměry přinejmenším srovnatelné s velikostí lidského těla.

To ovšem neplatí pro stroj, který nedávno představili inženýři z německého Stuttgartu. Jeho velikost není větší než kapička vody, obsažená ve vodní páře.

Ve světě technologií je běžné, že to, co funguje na velkých velikostních škálách, lze bez jakýchkoliv problémů přenést na škály výrazně menší. V mikrosvětě hrají totiž mnohem větší roli přírodní zákonitosti, jejichž význam lze ve světě naší běžné zkušenosti (makrosvětě) bez mrknutí oka zanedbat.

Na samotnou hranici možného sestoupili při konstruování tepelného stroje profesor Clemens Bechinger z Institutu pro inteligentní systémy Maxe Plancka ve Stuttgartu a jeho kolega z místní univerzity Valentin Blickle.

200 let starý pohon

Tepelný stroj není nic jiného než zařízení, které má za cíl převést energii ve formě tepla na mechanickou práci. Mikrostroječek, s nímž přišli němečtí vědci, kopíruje princip jedné z jeho nejpokročilejších a nejefektivnějších variant, tzv. Stirlingova stroje.

Tento typ mechanického pohonu, vynalezený před téměř 200 lety skotským knězem a vynálezcem Robertem Stirlingem (1790–1878), využívá k rozpohybování rozdílu teplot (tzv. teplotního gradientu) mezi dvěma komorami naplněnými plynem.

Píst, jenž je vykonavatelem práce, je poháněn periodickým zahříváním a zchlazování plynového sloupce.  Klasické stroje využívaly pochopitelně vzduch, v rafinovanějších verzích se přešlo na vodík či helium, které mají lepší tepelnou vodivost.

Stroj velikosti krůpěje mlhy

Německým inženýrům se podařilo principiální součástky tohoto zařízení zmenšit do velikosti mikrometrů (tisícin milimetru). Namísto bezpočetných částic plynu je však zahřívána koloidní částice o velikosti asi 3 mikrometry (průměrná tloušťka lidského vlasu se pohybuje mezi 40 až 90 mikrometry), vyrobená z plastu.

Tuto drobounkou částici umístili konstruktéři mezi molekuly vody. Kotel, který v klasickém parním stroji zodpovídal za periodické zvyšování objemu plynu, nahradili němečtí vědci dalším laserovým paprskem.

Paprsek namířili na vodu, která se tím pádem ohřála a vedla k roztažení objemu plastové částice. Jakmile se však laser vypne, voda se prakticky bezprostředně zchladí. Druhý laserový paprsek vytlačovaný tepelným roztahováním plastu hraje zase roli pístu.

Aby mohli vědci dobře pozorovat pracovní cyklus stroje, uzavřeli jej mezi dvě tenoučká sklíčka. Pozorování pod mikroskopem jasně ukázalo, že stroj funguje!

Pohled do mikrodimenzí

Mikroparní stroj sice ještě nedokáže pohánět nějaké skutečně užitečné zařízení, i tak je však svým tvůrcům k užitku. Ukázal totiž, že i přes původní předpoklady, že nebude fungovat, byl nakonec přece jen spuštěn do chodu.

Hlavní problém totiž spočívá v jevu, který nemá na makroúrovni klasických strojů žádný zásadní význam. Molekuly vody obklopující částici jsou totiž v konstantním, tzv. Brownově pohybu. Jako takové si prakticky konstantně vyměňují energii s částicemi zahřívaného plastu.

„Velikost energie vyměňované při těchto kolizích je řádově stejná, jako je velikost té, která je nutná k pohonu stroje,“ vysvětluje Valentin Blinckle. Na počátku pokusu vědci proto ani neočekávali, že by stroj skutečně fungoval, byť s minimální účinností.

„Náš pokus však ukázal, že v těchto dimenzích neexistují termodynamické důvody, které by zakazovaly tento způsob pohonu,“ neskrývá překvapení Clemens Bechinger.  Pro designéry budoucích spolehlivých a vysoce účinných mikrozařízení je to jistě dobrá zpráva.

Parní stroje pomáhají vědě

Mezi vědou a technikou existuje odedávna velmi čilý proces výměny informací. Směr této výměny bývá však většinou dán poměrně jednoznačně – vede od teorie k praktickým aplikacím. Dějiny vědy a techniky však znají i případy, kdy byl tok informací oběma směry přinejmenším rovnocenný.

Krásným takovým příkladem jsou paralely mezi vývojem tepelných strojů (zejména parních) a fyzikální disciplíny zvané termodynamika.

V roce 1824 vychází v Paříži přelomová práce s názvem Úvahy o hybné síle ohně, jejímž autorem byl mladý francouzský fyzik Sadi Carnot (1796–1832). Popis cyklu výměny tepla mezi ohřívaným a stlačovaným plynem a jeho okolím, který měl za úkol v první řadě přispět ke zvýšení efektivity stávajících parních strojů, je dnes znám jako Carnotův cyklus.

Na základech položených Carnotovým dílem pak pracovali i takoví velikáni vědy, jako byli např. William Thompson (známý jako lord Kelvin) či Max Planck.