Co jste slyšeli o perpetum mobile?

RBC Trends diskutuje o tom, proč je stroj na věčný pohyb nemožný, ale důležitý pro vědecký pokrok, a také o tom, jaké technologie čisté energie nás čekají v budoucnu a zda lze odpověď najít ve sci-fi románech

Perpetum mobile není pro energii, ale pro vědu

Paprsky kola jsou zakřivené a částečně naplněné rtutí takovým způsobem, že při otáčení rtuť proudí z jedné strany nádoby na druhou, což způsobuje, že kolo pokračuje v pohybu. – tento design vytvořil kolem roku 1150 indický matematik Bhaskara II a stal se první zmínkou o perpetum mobile. I když se sám vynálezce v té době sotva pustil do objevování zdroje nekonečné energie, snažil se spíše vytvořit symbol samsáry – věčného koloběhu existence.

V průběhu staletí vývoje vědy mnoho vědců hledalo zdroj nekonečné energie a navrhli různé mechanismy tzv. perpetum mobile machines (lat. Perpetuum Mobile). Jejich představy vycházely nejčastěji ze tří potenciálních zdrojů energie – působení gravitace, magnetických vlastností nebo chemických reakcí.

Mezi autory perpetum mobile je mnoho slavných jmen, jako Robert Boyle, Johann Bernoulli, Simon Stevin, Leonardo da Vinci, Nikola Tesla a další.

Ale všechny stroje věčného pohybu, počínaje kolem Bhaskara, jsou nemožné. Každý takový mechanismus porušuje první nebo druhý termodynamický zákon nebo oba zákony současně. Není možné vytvořit stroj schopný pracovat donekonečna bez externího zdroje energie.

A přestože moderní věda postuluje, že perpetuum mobile nemůže existovat, nekonečné hledání zdroje nekonečné energie posouvá vědu kupředu a vede vědce k novým objevům. Leonardo da Vinci tak během svých experimentů dospěl k závěru, že existence „věčného kola“ je nemožná a přiblížil se tak objevu zákona zachování energie. A holandský vědec Simon Stevin dokázal zákon rovnováhy tělesa na nakloněné rovině.

Každá nová navržená konstrukce perpetum mobile je pro fyziky zábavným problémem. Na základě současného vědeckého konsenzu nemůže perpetum mobile existovat, což znamená, že vědec prostě potřebuje vysvětlit, proč tento design nefunguje. Často takové problémy vznikají jako výsledek vlastních myšlenkových experimentů fyziků. Například myšlenka Brownovy ráčny jako perpetum mobile byla poprvé navržena Gabrielem Lippmannem v roce 1900 a teprve v roce 1912 Marian Smoluchowski poskytl adekvátní vysvětlení, proč to nefungovalo. Ale celá ta léta vědci nevěřili, že takový stroj je možný, ale nedokázali najít řešení tohoto vědeckého problému.

Příklady myšlenkových experimentů vědců

Maxwellův démon je myšlenkový experiment navržený Jamesem Maxwellem v roce 1867. V něm imaginární démon ovládá malá dvířka mezi dvěma nádobami naplněnými stejným plynem o stejné teplotě. Když se rychle pohybující molekula v první nádobě přiblíží ke dveřím, démon ji pustí do druhé nádoby. A naopak, z druhé nádoby přechází pomalejší molekuly do první. Plyn v první nádobě se tedy ochladí a ve druhé se ohřeje. Démon musí porušit druhý zákon termodynamiky (teplo se nemůže bez přidání energie přesunout z tělesa s nižší teplotou do tělesa s vyšší teplotou). Ale to není pravda. V praxi každý „démon“ vydá více energie, než vytvoří, protože musí být schopen měřit rychlost molekul a selektivně je propouštět dveřmi.

Brownova ráčna – jednoduché zařízení sestávající z drobného ozubeného kola, které se volně otáčí jedním směrem, ale nemůže se otáčet opačným směrem kvůli západce, která jej drží zpět. Konstrukce je tak malá, že je poháněna Brownovým pohybem molekul plynu (chaotický tepelný pohyb částic pod vlivem dopadů molekul okolního prostředí), které narážejí na lopatky, a ozubené kolo se díky západce otáčí pouze jedním směrem. Pokud by takový stroj fungoval úspěšně, porušil by i druhý termodynamický zákon. Ale ve skutečnosti je tento mechanismus v molekulárním měřítku, ve kterém Brownův pohyb ovlivní samotnou rohatku a způsobí její náhodné selhání. To znamená, že již nejsou porušeny žádné fyzikální zákony.

Energie vakua je energie pozadí, která existuje v prázdném prostoru (vakuum) a je považována za energii nulového bodu. V roce 1948 předpověděli holandští fyzici Hendrik Casimir a Dirk Polder existenci malé přitažlivé síly mezi těsně umístěnými kovovými deskami v důsledku rezonancí vakuové energie v prostoru mezi nimi. Toto je nyní známé jako Casimirův efekt a bylo široce experimentálně potvrzeno. Podobnou analýzu lze použít k vysvětlení Hawkingova záření. Fyzik Stephen Hawking navrhl, že vytvoření virtuálních částic v blízkosti horizontu událostí černé díry je mechanismem pro případné „vypaření“ černých děr. Existence vakuové energie je někdy používána jako teoretické zdůvodnění možnosti existence strojů s volnou energií, tedy v podstatě perpetum mobile. Neexistuje však žádný důkaz o tom, že povaha energie vakua zůstává pro vědce nevyřešeným problémem.

Možná někdo skrývá perpetum mobile?

Kolem konceptu perpetual mobile kolují konspirační teorie. Nejoblíbenější je teorie potlačení volné energie. Jeho zastánci tvrdí, že stroj perpetum mobile byl vynalezen, ale korporace nebo vlády ho před veřejností skrývají. Pokud by byl zdroj volné a čisté energie zpřístupněn všem, nebylo by to rentabilní pro jaderný průmysl ani pro společnosti, které vlastní ložiska fosilních paliv.

Podle zastánců této teorie mezi potlačené zdroje volné energie kromě strojů s věčným pohybem patří generátory studené jaderné fúze, vypůjčené mimozemské technologie a antigravitační motory. To vše nejsou vědecky ověřené technologie.

Zastánci teorie tedy tvrdí, že Nikola Tesla vyvinul systém, který dokázal generovat neomezené množství volné energie, ale tento vývoj se z toho či onoho důvodu neprosadil. Řeč je o věži Wardenclyffe Tower, která byla vlastně určena k bezplatnému přenosu energie a byla první bezdrátovou telekomunikační věží, samotná energie se musela vyrábět konvenčními prostředky.

Ve 20. století se již žádná koncepce volné energie ve vědecké komunitě vážně nezabývala poté, co se objevila teorie relativity Alberta Einsteina, která byla přijímána jako základní.

Jak se fantastické nápady mění ve skutečnost

Anglický spisovatel a futurista Arthur Clarke, který spolu s režisérem Stanleym Kubrickem vytvořil scénář k filmu „2001: Vesmírná odysea“, předpověděl budoucnost. V roce 1945 napsal vědecký článek „Relays Beyond the Earth“, ve kterém navrhl myšlenku geostacionárních satelitů. Ve druhé polovině XNUMX. století byla tato myšlenka realizována a stala se základem pro všechny moderní komunikační systémy včetně internetu. Clark si tento nápad nepatentoval, ale následně mu přinesl mnohá ocenění a geostacionární dráha se z iniciativy Mezinárodní astronomické unie oficiálně nazývá Clarkova dráha.

Kromě satelitů Arthur C. Clarke ve svých sci-fi dílech prováděl technologické předpovědi o nových zdrojích energie – kvantovém motoru hvězdné lodi v románu „Songs of a Distant Earth“ (1986) nebo vesmírné regatě řízené energie slunečního světla v příběhu „Solární vítr“ (1964).

Nápady v dílech spisovatelů sci-fi často předstihují vědecký pokrok a poskytují vhled do toho, o jaké technologie může moderní společnost usilovat při hledání levné, dostupné a čisté energie, aby pokročila ve svém pokroku.

Solární plachetnice a myšlenka „uzamknout“ Slunce

Vesmírná regata Arthura C. Clarka je založena na principu tzv. slunečního větru. Sluneční světlo vyvíjí na předměty velmi slabý, ale hmotný tlak. A ve vesmíru, kde je hmotnost objektů díky stavu beztíže minimální, je možné pomocí slunečního světla pohybovat kosmickou lodí s velkou reflexní plachtou. Clark tedy v 1960. letech vyslal rozsáhlou regatu vesmírných plachetnic a již v příštím desetiletí začaly skutečné testy takových plachetnic na oběžné dráze. A v roce 2010 Japonsko vypustilo kosmickou loď se sluneční plachtou IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), která měla otestovat možnost pohybu ve vesmíru pomocí slunečního záření, dostat se k Venuši a prozkoumat klima této planety .

Solární plachta IKAROS v hlubokém vesmíru po svém nasazení 14. června 2010 (Foto: JAXA)

Dalším fantastickým projektem zahrnujícím sluneční energii ve vesmíru je umístění solárních panelů přímo na oběžnou dráhu Země a bezdrátový přenos energie z nich na Zemi. Solární panely instalované na Zemi přijímají pouze polovinu sluneční energie, zbytek je filtrován atmosférou (29 % sluneční energie se odráží zpět do vesmíru, 23 % absorbuje vodní páru, ozón a prach v atmosféře). Druhým problémem je nízká účinnost solárních panelů a schopnost pracovat pouze během denního světla (ve skutečnosti je jejich maximální účinnost 22 %).

Vesmírné solární panely dokážou zajistit obyvatelstvu planety obrovskou zásobu energie, hlavní otázkou je způsob její dopravy na Zemi. Vědci vidí dva způsoby bezdrátového přenosu – mikrovlny a lasery. Oba způsoby jsou technicky možné, ale v praxi zatím neproveditelné z důvodu vysokých nákladů na vytvoření a údržbu.

Za nejsurrealističtější představu v oblasti sluneční energie lze považovat projekt kulovitého obalu kolem Slunce či jiné hvězdy, který v roce 1960 navrhl americký fyzik Freeman Dyson. Předpokládá se, že Dysonova koule bude smyčkou veškeré energie přicházející z hvězdy v této skořápce. Fyzik si vypůjčil samotný nápad ze sci-fi románu britského spisovatele Olafa Stapledona „The Star Maker“ (1937).

Antihmota, černé díry a energie vakua

Zcela vědecký koncept antihmoty, popsaný v díle nositele Nobelovy ceny z roku 1933 Paula Diraca, se stal základem pro vznik celého technologického trendu ve sci-fi. Antihmota a částice hmoty mají stejnou hmotnost, ale liší se elektrickým nábojem. Při setkání hmoty a antihmoty uvolňují obrovské množství energie (hmotnost těchto částic se násobí druhou mocninou rychlosti světla). To je princip používaný warpovým pohonem na hvězdné lodi Enterprise z fantasy vesmíru Star Trek Gene Roddenberryho (první film byl uveden v roce 1966). Principem činnosti motoru je deformace prostoru před a za lodí, díky čemuž se může pohybovat rychleji než rychlostí světla. Loď samotná je přitom v „bublině“ a nedeformuje se, pohybuje se spolu s deformovaným prostorem kolem ní. Ve skutečnosti je výroba energie z antihmoty velmi nákladná a její využití a skladování je logisticky obtížné.

Starship Enterprise (Foto: Desilu Productions, Paramount Television)

V další sérii sci-fi z roku 1994, Hvězdná brána, energie pro mezigalaktické cestování pochází z modulu nulového bodu, což je v podstatě energie vakua. Podle zápletky filmu postavili starověcí lidé reaktor, který je schopen akumulovat fenomenální energii, což umožňuje procházet branami a vytvářet silné zbraně. Energie vakua ve skutečnosti existuje, lze ji vypočítat, ale její síla je zanedbatelná.

Dalším fantastickým příběhem je reaktor poháněný mikroskopickými černými dírami. Tato myšlenka byla vyvinuta mezi spisovateli sci-fi poté, co Stephen Hawking objevil efekt „vypařování“ černé díry, tedy skutečnou přeměnu hmoty na energii.

Řasy a elektrárna pro Atlantis

Není to nejoblíbenější zápletka ve sci-fi literatuře, ale nejrealističtější ze všech výše uvedených zdrojů budoucí energie je fotosyntéza řas. Během fotosyntézy, biologického procesu přeměny energie na živiny, řasy produkují elektrony, které lze použít jako zdroj energie. Baterie napájené řasami možná nestačí pokrýt potřeby lidstva, ale tato technologie má určitě potenciál vyvinout zdroj čisté energie například pro zemědělské oblasti mimo síť.

Přílivová energie a energie vln jsou dvě technologie, které se již používají k výrobě elektřiny po celém světě. Složitější a zajímavější technologií pro výzkumníky je termální energie oceánů. Oceán zabírá 71 % povrchu planety s průměrnou hloubkou 3688 m a nejhlubší část, Challenger Deep, která se nachází v jižní části Marianského příkopu, je 10935 m, což dává kolosální rozsah teplot v různých hloubkách a umožňuje pohánět turbíny, které vyrábějí elektřinu. Ukazuje se, že oceánská tepelná elektrárna je výborným zdrojem energie pro existenci Atlantidy a v reálném světě je dobrým pomocníkem pro tropické oblasti, kde je teplota povrchových vod vyšší než v jiných částech planety.