Гигабайты киловатт

Как в теории можно передавать энергию по компьютерным сетям
18.07.2022
Константин Честнов

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) предложили оригинальную концепцию энергетической криптовалюты E-Stablecoin, основанной на электроэнергии. В отличие от множества криптографических проектов, которые используют блокчейн для записи и передачи только информации, ливерморская концепция предполагает передачу энергии через блокчейн, причём без участия традиционных генерирующих и сетевых компаний. Второй закон термодинамики не должен нарушаться в силу балансировки энтропии двух разных видов - термодинамической и информационной.

Авторы концепции отмечают, что криптовалюты, не обеспеченные ничем физическим, удерживают свою покупательную способность благодаря тому, что многие люди считают их ценностью. Любимое пирамидостроителями явление, описанное «гипотезой зарождения ценности» (ГЗЦ), по сути состоит в том, что актив, изначально не имевший никакой ценности, может её обрести по мере привлечения адептов, усиления узнаваемости бренда и популярности в целом.

Нужна реальная основа

Учёные указывают, что ГЗЦ не помогает криптовалютам сохранять стабильную стоимость - криптоактивы подвержены большой ценовой волатильности. Впрочем, есть мнение, что волатильность создаётся намеренно: подобно тому, как в велосипедном насосе при накачке шины чередуется пониженное и повышенное давление воздуха, сильные колебания котировок помогают перекачке средств из декретной денежной системы в криптографическую.

Между тем криптоактивы привлекают публику своим распределённым характером, а именно тем, что у них нет ни эмиссионного, ни клирингового центра. Есть лишь равноправные узлы компьютерной сети. В случае энергетической криптовалюты это означает, что в любом узле должна быть возможность как генерации, так и потребления электроэнергии с внесением соответствующих записей в блокчейн.

Маленький и хитрый

Поставив задачу избежать ценовой волатильности, американские учёные стали искать научно обоснованный метод взаимного превращения энергии и информации. Конечно же вспомнили о демоне Максвелла - умозрительном персонаже, который находится внутри сосуда с газом, разделённого перегородкой. В перегородке есть отверстие, и демон открывает и закрывает его без затрат энергии. Если он знает, какой скоростью обладает каждая конкретная молекула газа, то может управлять заслонкой так, чтобы в одной половине сосуда скопились молекулы с высокой скоростью, а в другой остались с низкой. Возникает разница температур, не допускаемая вторым началом термодинамики (законом изменения энтропии). Но тут вступают в силу законы информационной энтропии, ведь демон Максвелла в своей работе получил и использовал информацию об огромном количестве хаотически движущихся молекул газа. Учёные решили, что если изменениями информационной энтропии компенсировать изменения энтропии термодинамической, тогда закон сохранения энергии (в обобщённом виде) будет исполняться. И его можно применить для создания научно обоснованной криптоэнергетической валюты.

Возможно, читатель скажет, что демон Максвелла - чисто умозрительная сущность. Не совсем так. За 155 лет, прошедших с того момента, как этот эксперимент был описан великим физиком, учёные создали несколько разновидностей демона. Например, двигатель Силарда. Он представляет собой сосуд с двумя поршнями по краям и перегородкой посередине, содержащий небольшое число молекул. Когда все молекулы оказываются в одной половине сосуда (а такое событие рано или поздно произойдёт), перегородка опускается и поршень в другой половине придвигается к ней без затрат энергии. Затем перегородка поднимается и газ совершает работу, возвращая поршень в исходное положение. Получается, что информация (о местонахождении молекул) превратилась в энергию.

Приключения бусинки

Уже в нашем веке были проведены опыты по прямому превращению информации в энергию. В 2010 году японские учёные отчитались об эксперименте, где используются две бусинки из полистирола размером около трёхсот нанометров каждая. Одну из них прикрепили к стеклянной подложке, а вторая могла свободно перемещаться вокруг первой - двигалась под ударами молекул буферного вещества, в которое была погружена вся система.

Молекулы буфера приблизительно с равной частотой ударяли по бусинке с разных сторон, заставляя её поворачиваться то по часовой стрелке, то против. Исследователи наблюдали за движением бусинки через микроскоп, оснащённый камерой для высокоскоростной съёмки. Когда бусинка поворачивалась против часовой стрелки, они прикладывали к электродам напряжение так, чтобы возникающее поле не давало ей развернуться в обратном направлении. Получился устойчиво действующий нанодвигатель. На его основе учёные предложили умозрительную конструкцию винтовой лестницы с наноступеньками. Научившись управлять направлением вращения бусинки, можно заставить её подниматься по наноступенькам вверх, набирая потенциальную энергию. Спустя некоторое время она окажется наверху лестницы при том, что притока энергии в систему извне нет - меняется только направление поля в зависимости от поступающей информации о системе. Экспериментаторы подсчитали, что в созданной ими машине при комнатной температуре один бит информации трансформировался в 3×10-21 джоуля энергии.

Как же можно передавать энергию по компьютерным сетям? Концепция E-Stablecoin предполагает, что при генерации электричества Алисой с помощью двигателя Силарда в качестве источника хаотического теплового движения молекул используется настолько большая масса вещества (например, вода в озере), что отбор энергии не приводит к заметному изменению его температуры. Тем самым стандартные термодинамические циклы исключаются. Вместе с энергией генерируется большой объём информации, грозящий переполнить жёсткий диск Алисы. А теперь самое время рассказать о принципе Ландауэра - его сформулировал сотрудник корпорации IBM Рольф Ландауэр в 1961 году. Этот принцип гласит, что в любой вычислительной системе независимо от её физической реализации при потере одного бита информации выделяется теплота в определённом количестве, вычисляемом через постоянную Больцмана и температуру вычислительной системы в кельвинах. Именно этот принцип позволяет Алисе передать избыточную энергию Бобу.

Стирать на месте

Алиса, когда у неё заканчивается место на жёстком диске, выгружает излишнюю информацию в блокчейн, чтобы она не терялась (читай: не превращалась в тепло). Информация попадает к Бобу. После того как он эту информацию стирает, переданная Алисой энергия выделяется в компьютере Боба в виде тепла, которое снова можно превратить в электроэнергию.

Чтобы не перегружать читателя лишними деталями, мы описали концепцию энерговалюты E-Stablecoin крайне упрощённо. Важно пояснить, что её авторы своим главным достижением считают не передачу энергии через двоичные биты, а создание криптовалюты, одновременно привязанной к широко востребованному материальному активу (киловатт-часу электроэнергии) и не централизованной. То есть перед человеком, использующим E-Stablecoin, не стоит вопрос доверия к честности и надёжности какого-либо отдельного юридического или физического лица, обеспечивающего конвертируемость криптотокенов в реальный актив. Также исключается опора на сомнительную ГЗЦ.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы