29.09.2023

Motor mit quantenmechanischem Antrieb

Maschine nutzt Energiedifferenz zwischen unterschiedlichen Teilchen-Ensembles.

Klassische Motoren sind Wärmekraft­maschinen und folgen den Gesetzen der Thermodynamik. Sie wandeln die beim Verbrennen von Kraftstoff freiwerdende Wärmeenergie über Verdichtung in einem Kolben in mechanische Energie oder Bewegungs­energie um. Die Idee eines Motors in die Quantenwelt zu übertragen, ist nicht neu. Artur Widera von der Technischen Universität Kaiserslautern hatte bereits gezeigt, dass es möglich ist, eine Quantenwärmemaschine stabil und effizient zu betreiben. Jetzt ist es ihm und seiner Arbeitsgruppe gemeinsam mit Kollegen der Universität Stuttgart und des Okinawa Institute of Science and Technology in Japan gelungen, einen Quantenmotor zu entwickeln, der als Antrieb ein anderes, rein quanten­mechanisches Phänomen nutzt. 

Das Quantenmotor-Team: Artur Widera (r.) mit Jennifer Koch (l.) und Sian...
Abb.: Das Quantenmotor-Team: Artur Widera (r.) mit Jennifer Koch (l.) und Sian Barbosa (m.), sowie Eloisa Cuestas aus Okinawa.
Quelle: Koziel, RPTU

„In der Quantenwelt bzw. auf atomarer Ebene unterscheiden wir zwei Klassen von Teilchen: Bosonen und Fermionen“, erläutert Jennifer Koch. „Diese unterscheiden sich in einer Eigenschaft und zwar ihrem Eigen­drehimpuls oder Spin.“ Kommt eine Vielzahl an Bosonen und Fermionen jeweils in einer Atomfalle in ultrakalter Umgebung zusammen, passiert Folgendes: „Werden die Bosonen nicht von thermischer Energie gelenkt, bleiben sie energetisch im Grundzustand und gesellen sich zueinander“, erklärt die Physikerin. „Die Fermionen hingegen folgen dem Pauli-Prinzip.“ Das Pauli-Prinzip besagt, dass sich zwei identische Fermionen nicht im gleichen Energiezustand befinden können. Stattdessen entfernen sie sich voneinander und nehmen dabei verschiedene Anregungs­zustände bzw. steigende Energieniveaus ein. Der entscheidende Knackpunkt für die Forschung: „Der Gesamtenergiebetrag des Fermionen-Ensembles ist höher“, resümiert Koch.

Um die Energiedifferenz zwischen den unterschiedlichen Teilchen-Ensembles zu erschließen, nutzte das Forscherteam die Tatsache, dass Fermionen unter geeigneten Versuchs­bedingungen wandlungs­freudig sind. Die Physikerin erklärt: „Wir haben die Fermionen jeweils paarweise vereint – dadurch sind Bosonen entstanden. Damit haben wir eine quanten­mechanische Alternative zum Zünden eines Kraftstoffs geschaffen, mit der sich unser Quantenmotor betreiben lässt.“ Der „Proof of Concept“ ist somit gelungen. Doch was passiert mit den Erkenntnissen? 

„Im Moment sind wir von einer konkreten Anwendung zwar noch entfernt, weil unsere Entwicklung nur unter speziellen Versuchsbedingungen funktioniert. Ich bin aber überzeugt, dass in unserer Grundlagen­forschung wertvolles Potenzial steckt, das Anregungen für neue Anwendungen in der Festkörperphysik geben kann, beispielsweise in Supraleitern, wo ebenfalls fermionische Elektronen als Paare den Strom verlustfrei leiten“, zieht Widera Bilanz. „Unser Motor hatte im Vergleich zu einer Standardmaschine bereits eine gute Leistung. Und je mehr Teilchen die Ensembles enthalten, desto höhere Energieniveaus und damit Energie­ausbeuten lassen sich erreichen“, sagt Widera.

Sein Kollege Eric Lutz ergänzt einen weiteren Aspekt: „Das Thema ist aus Sicht der Wissenschafts­community extrem spannend. Damit stoßen wir eine Diskussion darüber an, wie die experi­mentellen Resultate überhaupt fachlich einzuordnen sind. Können wir die Gesetzmäßigkeiten der Thermo­dynamik heranziehen? Wenn nicht, wie beschreiben wir dann die Prozesse, die unseren Motor zum Laufen bringen?“ Und Thomas Busch, dessen Arbeitsgruppe aus Japan an der theoretischen Modellierung beteiligt war, fügt hinzu: „Diese Fragen helfen, das Wissen um die Welt der kleinsten Teilchen voran­zubringen und zu verstehen, wie wir deren Eigenschaften für weitere technische Innovationen nutzen können.“

TU Kaiserslautern / JOL

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