Quantenmotor: Carnot-Prinzip wird von Quanteneffekt gebrochen
Zwei theoretische Physiker der Universität Stuttgart(öffnet im neuen Fenster) haben bewiesen, dass die Begrenzung für den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, das Carnot-Prinzip, auf quantenmechanischer Ebene nicht gilt. Vielmehr kommen zusätzliche Kräfte zum Tragen, so dass ein Quantenmotor mit der Größe weniger Atome effizienter arbeiten kann als sein großes Pendant.
Beim Carnot-Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen, der die Grundlage für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bildet, spielt ausschließlich der Temperaturunterschied zwischen zwei Reservoirs eine Rolle. Vernachlässigt wird dabei die Quantenkorrelation oder Quantenverschränkung.
Sie spielt im makroskopischen Bereich keine Rolle, hat aber im Bereich von Atomen, Molekülen und sogar komplexeren mikroskopischen Objekten eine Bedeutung. Laut der Studie, die in Science(öffnet im neuen Fenster) frei zugänglich veröffentlicht wurde, kann dieser Effekt ebenfalls für die Umwandlung in mechanische Arbeit genutzt werden, was den Wirkungsgrad über den eigentlich erlaubten Wert hinaus steigert.
Athermale Energieumwandlung
Ein Motor auf atomarer Ebene oder sogar darunter könne somit Wärme und entropische oder athermale Ressourcen nutzen, prognostizieren die Autoren der Studie. Als Beispiel wird ein Quantenmotor mit zwei verschränkten Oszillatoren genannt.
In Simulationen bezog dieser zunächst seine gesamte Energie aus der Verschränkung. Die so erzeugte Arbeit war größer als die absorbierte Wärme, der Carnot-Wirkungsgrad wurde übertroffen. Das funktionierte allerdings nur wenige Zyklen lang, anschließend wurde wieder thermische Energie umgewandelt.
Noch handelt es sich um ein rein theoretisches Konstrukt, aber das war der Carnot-Prozess zunächst ebenfalls. Geht es nach den Autoren der Studie, könnten in Zukunft medizinische Nanobots oder Maschinen zur Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene durch hocheffiziente Quantenmotoren angetrieben werden.