Motor movido a informação é testado até o limite

Um motor de informação é derivado do famoso demônio de Maxwell.
[Imagem: Johan du Buisson - 10.1080/23746149.2024.2352112]

Motor de informação

Todo motor precisa de algum tipo de combustível, mas você sabia que é possível construir um motor movido a informação?

As moléculas que constituem a matéria que nos rodeia estão em constante agitação, conhecida como movimento browniano. Há mais de 150 anos, o físico James Clerk Maxwell teorizou que, se o movimento das moléculas pudesse ser medido com precisão, este resultado da medição - uma informação - poderia ser usada para alimentar um motor. Embora tenha permanecido por mais de século apenas como um experimento mental, avanços tecnológicos recentes tornaram possível construir motores de informação funcionais em laboratório.

Agora Johan du Buisson e colegas da Universidade Simon Fraser, no Canadá, não apenas construíram um motor de informação, como também conseguiram testar seus limites.

Isso é importante porque compreender como os motores de informação funcionam pode não só ajudar a explorar essa fonte energia, mas também pode sugerir formas de reprojetar os motores existentes para utilizar a energia de forma mais eficiente e nos ajudar a aprender como funcionam os motores biológicos nos organismos vivos, incluindo o corpo humano.

"Vivemos em um mundo cheio de energia extra não utilizada que potencialmente poderia ser usada. Estamos chegando à [colheita de energia] de um ponto de vista muito diferente e esperamos que essa perspectiva diferente possa levar a alguns insights diferentes sobre como ser mais eficiente," disse o professor John Bechhoefer.

Fluxos de energia nos motores convencionais e de informação usados para deslocar uma esfera. (a) Em um motor convencional, o trabalho médio (azul) é igual à soma do calor dissipado (vermelho) e da variação na energia livre da esfera (preto). (b) Em um motor de informação puro, o trabalho aplicado é zero (azul), de modo que a potência extraída (preto) é fornecida pelo calor extraído do banho térmico (vermelho). Nos dois motores, os parâmetros são ajustados para corresponder à potência do motor (preto).
[Imagem: Johan du Buisson - 10.1080/23746149.2024.2352112]

Energia líquida extraída da informação

O motor de informação construído pela equipe consiste em uma pequena esfera em banho-maria que é mantida no lugar por uma armadilha óptica. Quando as flutuações na água fazem com que a esfera se mova na direção desejada, a armadilha pode ser ajustada para evitar que a esfera retorne ao local onde estava antes. Ao fazer medições precisas da localização da esfera e usar essas informações para ajustar a armadilha, o motor é capaz de converter a energia térmica da água em trabalho.

Para compreender o quão rápido e eficiente o motor poderia ser, a equipe testou múltiplas variáveis, como a massa da esfera e a frequência de amostragem, e desenvolveu algoritmos para reduzir a incerteza de suas medições, o que equivale a aumentar a eficiência do motor.

Isto permitiu atingir a velocidade mais rápida já registrada até hoje para um motor de informação, aproximadamente 10 vezes mais rápida do que a velocidade de uma bactéria E. coli, e comparável à velocidade das bactérias móveis encontradas em ambientes marinhos.

Diagrama esquemático da configuração experimental. AOD = Defletor Óptico Acústico, FPGA = matriz de portas programáveis em campo, QPD = fotodiodo quadrante, L = lentes, M = espelhos, F1-3 = espelhos dicróicos. Os componentes não estão em escala.
[Imagem: Johan du Buisson - 10.1080/23746149.2024.2352112]

Muita energia à disposição

Faltava então descobrir se um motor de informação consegue colher mais energia do que consome para funcionar. "Em equilíbrio, é sempre um jogo perdido. Os custos de coletar informações e processá-las sempre excederão o que você obtém com isso," disse Bechhoefer. "Mas, quando você tem um ambiente que tem energia extra, [moléculas fazendo] movimentos extras, então isso pode mudar o equilíbrio se for forte suficiente."

Os resultados mostraram que, em um ambiente de desequilíbrio, como normalmente encontrado na natureza - o motor estava em um banho de calor, com uma temperatura mais alta do que o aparelho de medição - é possível produzir significativamente mais potência do que o motor de informação consome para funcionar.

Ainda estamos longe de gerar eletricidade usando motores de informação, mas os prognósticos são entusiasmantes. Por exemplo, praticamente toda a energia da Terra vem do Sol, e eventualmente irradia para o espaço. Esse fluxo direcional de energia se manifesta de muitas maneiras diferentes, como o vento ou as correntes oceânicas, que podem ser colhidas. Compreender os princípios por trás dos motores de informação pode nos ajudar a utilizar melhor toda essa energia primária, incluindo a que está tentando escapar para o espaço.

A equipe já conseguiu um financiamento para prosseguir suas pesquisas, o que eles pretendem fazer desbravando um pouco mais o caminho rumo ao uso prático dos motores de informação.

Qual é a quantidade de informação contida no Universo?
[Imagem: Daniel Grumiller/TU Wien]

Entenda os motores de informação

Os motores de informação são uma realização moderna do experimento mental do chamado demônio de Maxwell. Esse "demônio" - que nada tem de diabólico - é uma nanomáquina idealizada teoricamente pelo físico James Clerk Maxwell em 1867. Ele viola a Segunda Lei da Termodinâmica manipulando moléculas quentes e frias conforme elas fluem entre dois recipientes, fazendo assim o calor fluir na contramão, diminuindo a entropia.

Em 1948, Claude Shannon, considerado o fundador da teoria da informação, mostrou que o conteúdo de informação de uma mensagem pode ser quantificado com o que ele chamou de "entropia de informação".

Finalmente, em 1961, Rolf Landauer mostrou que, mesmo apagar uma informação consome energia, estabelecendo o elo que faltava entre a teoria da informação e a termodinâmica.

Desde então, inúmeros experimentos confirmaram o princípio de Landauer, inverteram o sentido do fluxo de calor e mostraram que até mesmo medir o tempo aumenta a entropia.

Agora, entramos definitivamente na exploração prática dos motores de informação, um campo que os especialistas chamam de Infodinâmica, uma espécie de "Segunda Lei da Dinâmica da Informação".

Bibliografia:
Artigo: Performance limits of information engines
Autores: Johan du Buisson, David A. Sivak, John Bechhoefer
Revista: Advances In Physics
DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=motor-movido-informacao-testado-ate-seu-limite&id=010115240611