Ein Motor aus einem Atom

Physiker bauen die kleineste Wärmekraftmaschine der Welt, die mit einem einzelnen Atom arbeitet

21.10.2015

Wärmekraftmaschinen spielen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle seit der industriellen Revolution. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten. Ein Team von Physikern der Universitäten Mainz, Kassel und Erlangen-Nürnberg hat nun gezeigt, dass es möglich ist einen Motor zu bauen, dessen Arbeitsmedium aus nur einem Atom besteht.

Die Wissenschaftler nutzen eine Paul-Falle um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern. Das Atom kann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt werden - und durchläuft damit einen thermodynamischen Kreisprozess, ähnlich zu den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die generierte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energiespeichers gleichermaßen.

Der Prototyp dieser Maschine wurde vor einem Jahr in der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM) am Institut für Physik der JGU aufgebaut. In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie sie nun in einer Vorveröffentlichung zeigen, liefert der Ein-Atom Motor eine Leistung von 10-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Aufgrund der geringen Masse ist das Leistungsgewicht vergleichbar mit dem eines Auto-Motors. Die Realisierung eines solchen Nano-Motors erlaubt den Forschern einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen. In zukünftigen Experimenten soll die Effizienz des Motors durch die Verwendung von speziell präparierten Zuständen deutlich gesteigert werden.