Manipulation thermischer Wärmebäder
Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärme in nutzbare mechanische Energie um. Die jetzt entwickelte Nano-Wärmekraftmaschine bestehend aus einem Kalzium-Ion soll jedoch den Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent eines Ottomotors und selbst das klassische Carnot-Limit, eine vom Franzosen Sadi Carnot im Jahr 1824 berechnete Obergrenze der Thermodynamik, überschreiten. Dazu manipulieren die Wissenschaftler der Universitäten in Mainz und Erlangen-Nürnberg die die Wärmekraftmaschine antreibenden thermischen Wärmebäder und nutzen sogenannte nicht-klassische Zustände.
Kalzium-40-Ion wird zum Ottomotor
Anhand von Berechnungen und Simulationen wurde vor rund einem Jahr zum ersten Mal gezeigt, dass sich der thermodynamische Kreislauf eines Ottomotors mit einem einzelnen Ion nachstellen lässt. Dazu wird ein einzelnes Kalzium-40-Ion verwendet, eine Million mal kleiner als ein menschliches Haar. Das Ion stellt dabei den Kolben und Kurbelwelle des Motors dar. Das einzelne Ion würde nun in einer Paul-Falle gespeichert und mit Hilfe von Laserstrahlen und elektrischen Feldern nicht nur gekühlt und erhitzt, sondern zusätzlich noch gequetscht. So können die Wissenschaftler die Impuls-Orts-Verteilung für einen optimalen Wirkungsgrad maßschneidern.
Verständnis für Thermodynamik fördern
Diese Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine soll in ersten Experimenten jetzt in die Praxis umgesetzt und ein erster Prototyp im Labor der Johannes Gutenberg-Universität Mainz aufgebaut werden. Da die mechanische Leistung einer Ein-Ionen-Maschine allerdings äußerst gering ist, liegen mögliche Anwendungen ebenfalls nur beim Heizen oder Kühlen von Nanosystemen. Die Forscher wollten mit ihren Untersuchungen allerdings ohnehin vor allem für ein besseres Verständnis der Thermodynamik auf sehr kleinen Skalen sorgen und zeigen, dass die Überschreitung des Carnot-Limits einer klassischen Wärmekraftmaschine keine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik bedeutet, sondern allein durch die Verwendung speziell präparierter, nicht-thermischer Wärmebäder möglich ist.
