Forscher entwerfen Quantenmotor

Internationales Physiker-Team entwickelt neuartige Quanten-Wärmekraftmaschine

Eine neuartige Quantenwärmekraftmaschine (quantum heat engine, QHE) haben Wissenschaftler aus Deutschland, Indien, Pakistan und den USA jetzt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science vorgestellt. Der Kolben in dieser Maschine wird durch Photonendruck bewegt.

Artikel veröffentlicht am 17. Februar 2003, 9:29 Uhr, Jens Ihlenfeld

Strahlung ist dabei das Arbeitsmedium - analog zu Dampf - das durch einen Strahl heißer phasekohärenter Atome angeheizt wird - analog zu Kohle. Die Maschine wird von einem speziellen Quanten-Wärmebad betrieben und kann - im Unterschied zur klassischen Wärmekraftmaschine - Arbeit auch aus nur einem einzelnen thermischen Reservoir erzeugen. Der zweite Satz der Thermodynamik werde dabei nicht verletzt, so die Forscher.

Noch liegt der Quantenmotor allerdings außerhalb der technischen Möglichkeiten, doch er eröffnet neue Wege, Energie effizienter zu erzeugen und zu speichern.

Die Forscher haben sich dabei die Interferenz, also die Überlagerung von mindestens zwei Atom-Wellen, zu Nutze gemacht und eine Quantenmaschine entworfen. Ausgangspunkt dafür waren zwei Innovationen in der Quantenoptik, die Entwicklung des Mikromasers (Microwave/molecular ampflication by stimulated emission of radiation) sowie des Lasers ohne Inversion.

Im Kern besteht die Quantenmaschine aus einem Mikrolaser-Hohlraum, der durch zwei Spiegel gebildet wird. Ein Spiegel arbeitet als Resonator, der andere als Kolben, der vom Photonendruck getrieben wird. Dieser Aufbau ermögliche einen zyklischen Prozess zur Erzeugung von Arbeit. Betrieben wird die Maschine mit einem kohärenten Gas, das von einem Mikrowellen-Generator erzeugt wird und das mit einem chemischen Treibstoff vergleichbar ist, der die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie nutzt, um ebenfalls einen Kolben zu bewegen.

Wird die Maschine mit normalen thermischen Atomen betrieben, sei ihre Effizienz durch das Carnot-Limit begrenzt. Das ändere sich, wenn man heiße Atome einsetzt, die zum Beispiel durch einen Mikrowellen-Generator in eine kohärente Mischung zwischen zwei Zuständen versetzt wurden. Bei einem solchen Ensemble von phasenkohärenten Atomen handelt es sich um einen neuen Materiezustand, den man abgekürzt "Phaseonium" nennt.

Dies habe überraschende Eigenschaften, so die Forscher. So könne man darin die Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichts auf wenige Zentimeter pro Sekunde reduzieren und den Lichtstrahl praktisch zum Stillstand bringen. Ein kohärentes Medium könne aber auch Ausgangspunkt sein für neuartige Phänomene, wie Laser ohne Inversion oder elektromagnetisch induzierte Transparenz.

In ihrer aktuellen Science-Veröffentlichung betonen die Wissenschaftler: "Mit Phaseonium als Brennstoff erhalten wir eine Art 'Sortier-Aktion', bei der heiße Atome Photonen wie immer emittieren, während kalte Atome weniger als sonst absorbieren. Wir sagen damit nicht, wir hätten ein 'perpetuum mobile der zweiten Art', doch wir behaupten in der Lage zu sein, Arbeit aus einem einzigen Wärmebad zu gewinnen. Dennoch braucht man Energie von einer externen Mikrowellen-Quelle, um die Kohärenz vorzubereiten."