Ion als Kurbelwelle 24.01.2014, 12:33 Uhr

Nano-Wärmemaschine soll effektiver als Automotor sein

Deutsche Physiker bauen eine Wärmekraftmaschine, die aus einem einzelnen Kalzium-Ion besteht. Wärme und Kälte liefern Laser. Eine solche Nano-Maschine verspricht einen höheren Wirkungsgrad als Automotoren oder Kohlekraftwerke.

Ein Ion in einer Paul-Falle: Die Wärmekraftmaschine wird durch die auseinanderlaufenden Stäbe realisiert. Die Quetschung erfolgt, indem spezielle elektrische Felder angelegt werden.

Ein Ion in einer Paul-Falle: Die Wärmekraftmaschine wird durch die auseinanderlaufenden Stäbe realisiert. Die Quetschung erfolgt, indem spezielle elektrische Felder angelegt werden.

Foto: Johannes Gutenberg Universität

Physiker der Universitäten Mainz und Erlangen-Nürnberg wollen eine Wärmekraftmaschine bauen, die nicht klassischen Prinzipien der Physik gehorcht, sondern den eher verschwommenen und schwer nachzuvollziehenden Gesetzen der Quantenphysik. Diese Maschine setzt sich auch über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hinweg, der den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmemaschine festlegt. Die Quantenmaschine soll mehr schaffen.

Herzstück ist ein einzelnes Kalzium-Ion, also ein elektrisch geladenes Atom, das eine Millionen Mal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Die Physiker sperren es in eine Paul-Falle, benannt nach dem deutschen Physiker Wolfgang Paul, der für diese Entwicklung 1989 den Nobelpreis erhielt. 

Die Paul-Falle ist immateriell. Sie besteht aus einem besonders geformten elektrischen Wechselfeld mit hoher Frequenz, üblich sind 1000 Kilohertz. Wenn das Ion seinen Platz im Zentrum auch nur um Bruchteile eines Millimeters verlässt, holt das Feld es gleich wieder zurück zu seinem Stammplatz. Die Paul-Falle wird auch in Messgeräten genutzt, etwa im Massenspektrometer. Sie gilt zudem als wesentliches Element eines extrem leistungsfähigen Quantencomputers, dessen Entwicklung weltweit vorangetrieben wird.

Aus Temperaturunterschieden erwachsen winzige Kräfte

In einem Beitrag für die renommierte Fachzeitschrift Physical Review Letter vergleichen die Physiker ihre Wärmemaschine mit einem Viertaktmotor. Das Ion fungiert dabei als Kolben und Kurbelwelle. Per Laser wird es abwechselnd erwärmt und gekühlt. Die Temperaturdifferenzen sind Voraussetzung dafür, dass Wärmeenergie in mechanische Energie umgesetzt wird, etwa in Automotoren oder Kohlekraftwerken. Außerdem wird es verformt, gequetscht, wie die Physiker sagen.

Zusätzlich verändern die Wissenschaftler die Frequenz des Wechselfeldes. Als Elektroden, Ausgangspunkte des elektrischen Wechselfeldes, dienen Stäbe, auf die die Kraft der Wärmebewegung des Ions übertragen wird – sie öffnen sich weiter und kehren in ihre alte Position zurück, wenn das Ion gekühlt wird. 

Wirkungsgrad von 30 Prozent scheint machbar

Bisher haben die Physiker lediglich gerechnet und herausgefunden, dass die Nano-Wärmemaschine einen Wirkungsgrad von 30 Prozent erreichen könnte. Die erzeugte Kraft ist natürlich gering. Sie erzeuge non-zero power, schreiben sie in ihrem Bericht, flapsig übersetzt heißt das „mehr als nix“. Das könnte aber für den Antrieb in der Nanowelt reichen, in der mit Dimensionen im Millionstel-Millimeter-Bereich gerechnet wird.

Von Wolfgang Kempkens
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