Wärmekraftmaschinen in der Mikrowelt

Von mikroskopischen Wärmekraftmaschinen erzeugte Energie kann nur teilweise sinnvoll genutzt werden

23.08.2019

Wärmekraftmaschinen – ein grundlegendes physikalisches Konzept mit direkten technischen Anwendungen – wandeln Wärmeenergie in nutzbare Arbeit um, zum Beispiel zum Antrieb eines Fahrzeuges. Verschiedene Typen von Wärmekraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen erleichtern unser modernes Leben und bestimmen es sogar zu einem großen Teil. So unterschiedlich diese Typen sind, so werden sie doch einheitlich von den gleichen physikalischen Gesetzen – der Thermodynamik – beschrieben. Versucht man jedoch, solche Maschinen auf mikroskopische oder sogar atomare Skalen zu verkleinern, gelten andere Gesetzmäßigkeiten: Hier treten Fluktuationen auf, der Betrieb einer solchen Maschine ist also nicht gleichmäßig und einem gewissen Maß an Zufall unterworfen.

Forscher um Dr. Ulrich Poschinger und Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben ein experimentelles Szenario durchgespielt, in dem dieser Sachverhalt klar zutage tritt. Ein einzelnes gefangenes atomares Ion fungiert als Wärmekraftmaschine, indem es mit Laserstrahlung abwechselnd gekühlt und aufgeheizt wird. Die dabei gewonnene Energie wird in Schwingungen dieses Ions übersetzt und gespeichert. Nach einigen Operationszyklen wird der physikalische Zustand dieser Schwingungen vollständig rekonstruiert. Die Analyse der experimentellen Daten, in Zusammenarbeit mit den theoretischen Physikern Dr. Mark Mitchison und Prof. Dr. John Goold vom Trinity College Dublin, zeigen, dass nur ein Teil der gewonnenen Energie sinnvoll weiterverwendet werden könnte, der andere Teil manifestiert sich in zufälligen thermischen Bewegungen des Ions.

Diese Ergebnisse sind ein Mainzer Beitrag im Rahmen der Forschergruppe 2724 "Thermische Maschinen in der Quantenwelt" und wurden als Highlight im aktuellen Band des internationalen Journals Physical Review Letters publiziert. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Basis zum Verständnis von Energietransferprozessen in mikroskopischen Systemen und ebnen den Weg zu weiterführenden Studien, die den Einfluss der Quantenphysik auf solche Systeme und Prozesse zeigen sollen.