Energie uit informatie opgewekt met een efficiëntie van 28 procent

Informatie kan worden omgezet in energie. Dat volgt uit een experiment dat een controversiële paradox van de negentiende-eeuwse natuurkundige James Maxwell in de praktijk brengt (Nature Physics, 14 november). Omdat ‘Maxwell’s duivel’ de wetten van de thermodynamica leek te schenden, was hij 150 jaar lang het onderwerp van veel discussie. Maxwell bedacht een alwetend en alziend wezen dat de deur bewaakt tussen twee met gas gevulde ruimtes. Door op het juiste moment de deur te openen, laat hij snelle moleculen alleen van links naar rechts gaan, en langzame moleculen alleen de andere kant op. Omdat snelheid en temperatuur samenhangen, wordt de ruimte aan de rechterkant heter en die aan de linkerkant kouder. Er ontstaat een temperatuurverschil (waardoor er arbeid uitgevoerd kan worden), alleen doordat de duivel informatie heeft over de snelheden. Dat gaat in tegen de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica die stelt dat orde alleen kan ontstaan als daarvoor energie verbruikt wordt.

Masaki Sano en zijn collega’s bedachten een manier om de duivel tot leven te wekken. Ze plaatsten een langwerpig nanodeeltje in een oplossing. Doordat er voortdurend moleculen van het oplosmiddel tegenaan botsen kan het deeltje linksom of rechtsom draaien. Met behulp van een elektrisch veld maakten ze het vervolgens lastiger om linksom te draaien. De onderzoekers vergelijken het met het lopen op een wenteltrap, omhoog gaat moeilijker dan naar beneden. In dit experiment draait het deeltje weliswaar af en toe linksom, maar vaker de andere kant op: het loopt als het ware de wenteltrap af. Vervolgens grepen de onderzoekers in. Telkens als het deeltje linksom was gedraaid, en dus een tree omhoog was gegaan, zorgden ze er met behulp van het elektrisch veld voor dat het niet meer terug kon vallen. Precies zoals de duivel van Maxwell de deur alleen openzet voor snelle moleculen en die vervolgens niet meer terug laat gaan. Zo werd alleen uit informatie energie opgewekt met een efficiëntie van 28 procent, volledig in overeenstemming met een theoretische berekening uit 1997. De totale energie van het hele systeem – het deeltje, de bak waar het zich in bevindt, de apparaten en de onderzoekers – neemt niet toe, dus de Tweede Hoofdwet is veilig.

Rob van den Berg