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Forscher bauen kleinste Wärmekraftmaschine der Welt

Blick in Vakuumkammer, in der sich die Atom-Falle befindet. (Bild: Johannes Roßnagel)

Motor aus einem Atom

Den kleinsten Motor der Welt haben jetzt Forscher der FAU zusammen mit Wissenschaftlern der Universitäten Mainz und Kassel konstruiert:  Die winzige Maschine besteht aus nur einem einzigen Atom und ist in der Lage, effektiv Wärme in Kraft umzuwandeln. Darüber berichten die Physiker jetzt in dem renommierten Forschungsmagazin Science.

Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraftmaschinen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln Wärme in Bewegung und trieben bzw. treiben zum Beispiel als Dampfmaschinen oder Motoren Fahrzeuge an. Ihr Funktionsprinzip ist recht einfach: Eine luftdichte Kammer wird erhitzt und wieder abgekühlt, wodurch sich das darin befindliche Gas ausdehnt und zusammenzieht. Durch die Druckschwankungen wird ein Kolben auf und ab bewegt, der über eine Kurbelwelle ein Schwungrad antreibt.

Dieses Prinzip wenden die Wissenschaftler um Prof Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler von der Universität Mainz, Prof. Dr. Kilian Singer von der Universität Kassel und Prof. Dr. Eric Lutz von der Universität Erlangen-Nürnberg auf ein einziges elektrisch geladenes Kalzium-Atom an. Vier nur wenige Millimeter lange Metallstäbchen halten das Teilchen in der Schwebe. Mithilfe eines elektrischen Rauschsignals wird das Atom dann in heftige Schwingungen versetzt und so aufgeheizt. Im zweiten Schritt wird es wieder abgekühlt, indem man seine Bewegungen abbremst. Dazu beschießen die Wissenschaftler das Atom mit einem Laserstrahl.  Durch das Aufheizen und Abkühlen wird das Atom in Schwingungen versetzt – vergleichbar mit dem Auf und Ab der Kolben in den Zylindern eines klassischen Motors. Mit jedem Aufwärm- und Abkühlzyklus vergrößert das Atom seinen Schwingungsradius und speichert so Energie.

In umfangreichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors genau beschreiben. Der Ein-Atom-Motor liefert eine Leistung von 10 hoch -22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. „Denkbar wäre es, den Zyklus im Ein-Atom-Motor umzukehren. Dann wird die Maschine zum Ein-Atom-Kühlschrank“, sagt Prof. Dr. Eric Lutz. „Für Technologien, die immer mehr auf Miniaturisierung setzen, eine nützliche Entwicklung.“

Besonders wichtig für die Grundlagenforschung ist, dass die Entwicklung eines solchen Nanomotors Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärmekraftmaschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Das Projekt wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Volkswagenstiftung.

DOI: 10.1126/science.aad6320

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Eric Lutz
Tel.: 09131/85-28459
eric.lutz@fau.de

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