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Energiewende-on-a-Chip 2 : Eine Dampfmaschine unterm Fingernagel

Ein Viertakter in der Teilchenfallen 

Um die Wärmekraftmaschine in Gang zu setzen, wird das Ion zunächst am schmalen Ende des Ionenkäfigs aufgeheizt, woraufhin es senkrecht zur Fallenachse eine Zitterbewegung ausführt. Durch die trichterförmige Geometrie der Falle wird die radiale Bewegung des Teilchens in eine Schwingung entlang der Fallenachse umgewandelt. Das Ion wird so gewissermaßen in Richtung des aufgeweiteten Endes des Ionenkäfigs gedrückt. Dort angelangt, schaltet man das Rauschsignal ab, so dass das Teilchen nur noch dem kühlenden Laserstrahl ausgesetzt ist, der die Zitterbewegung senkrecht zur Fallenachse wieder reduziert.

Blick durch ein Fenster in der Vakuumapparatur auf die Mainzer Ionenfalle.

Das Kalziumion wandert daraufhin zurück zum schmalen Fallenende, wo es wieder erwärmt wird. Danach beginnt der thermodynamische Kreisprozess von neuem. Wo sich das Ion in der Falle befindet, bestimmen die Forschern anhand des von ihm ausgesandten Fluoreszenzleuchtens. Die Temperatur des Teilchens ermitteln sie über ein laserspektroskopisches Verfahren.

Durch das abwechselnde Aufheizen und Kühlen des Ions wird bei jedem Zyklus - ein Zyklus dauert etwa zwölf Mikrosekunden - die radiale Bewegung in eine periodische Bewegung parallel zur Fallenachse umgewandelt. In der Amplitude der axialen Schwingung, die sich jedes Mal vergrößert, wird die gewonnene Arbeit gespeichert. „Die Temperaturänderung der radialen Schwingungsmode führt zu einer Kraft in axialer Richtung. Das Produkt aus der Kraft und dem vom Ion zurückgelegten Weg ergibt die geleistete Arbeit“, erklärt Johannes Roßnagel. Die axiale Bewegung spiele also gewissermaßen auch die Rolle des mechanischen Schwungrads einer klassischen Wärmekraftmaschine.

„Die gespeicherte Arbeit könnte dazu genutzt werden, ein benachbartes Ion oder einen mikromechanischen Oszillator zum Schwingen zu bringen“, sagt Roßnagel. Theoretisch ließe sich durch die elektrische Spannung, die das oszillierende Kalziumatom in den Elektroden am Ende der Falle induziert, sogar eine Glühbirne zum Leuchten bringen. Dazu ist allerdings die Leistung in der Größenordnung von 10exp(-22) Watt zu gering. Auch der in den Versuchen erzielte Wirkungsgrad beträgt nur bescheidene 0,3 Prozent. Der geringe Wert deckt sich zwar mit den theoretischen Erwartungen, ist aber eine Folge der verwendeten Ionenfalle und der damit verbundenen nicht optimalen Betriebsparameter.

In der Mainzer Ionenfalle wird ein Kalziumion in der Schwebe gehalten, das als Wärmekraftmaschine arbeitet.

Aus technischen Gründen waren auch die Schwingungsamplitude des Ions - sie betrug im Mittel 15 Mikrometer - sowie der erreichbare Temperaturunterschied zwischen den beiden Wärmebädern - es wurden 21 Millikelvin gemessen - begrenzt. Dass ein um einen Faktor 100 höherer Wirkungsgrad durchaus möglich ist, haben die Physiker in früheren Simulationen zeigen können.  „In unseren Berechnungen sind wir aber von einer optimalen Ionenfalle ausgegangen, deren Metallelektroden stärker konisch zulaufen als jene, die wir derzeit verwenden“, sagt Roßnagel.

Auf dem Weg zur Quanten-Dampfmaschine

Langfristig wollen die Forscher quantenmechanische Zustände ausnutzen, um die Wärmekraftmaschine anzutreiben. „Dafür müssen wir das Kalziumion noch stärker abkühlen, als wir es derzeit können. Um das zu realisieren haben wir eine neue Falle gebaut, deren Parameter eher jenen ähneln, die wir in den Simulationen verwendet haben“, erklärt Roßnagel. Durch die Anregung von besonderen quantenmechanischen Zuständen, sogenannten gequetschten Zuständen, wollen sie den Wirkungsgrad in die Höhe treiben. Bei gequetschten Zuständen reduziert sich die Unschärfe einer physikalischen Größe auf Kosten einer anderen. Dadurch lässt sich etwa die Geschwindigkeit genauer bestimmen als der Aufenthaltsort, dessen Unschärfe zunimmt.

Diesen Umstand wollen die Forscher nutzen, da sich dadurch die mittlere radiale Ausdehnung des gefangenen Ions gegenüber der rein thermischen Anregung vergrößern lässt. Das Teilchen sollte dadurch noch stärker in axiale Richtung schwingen und noch mehr Arbeit verrichten können, als wenn man es nur thermisch anregt. Berechnungen zeigen, dass sich auf diese Weise der maximal mögliche Wirkungsgrad noch einmal um einen Faktor vier steigern ließe.

Um diesen Wert mit einem klassischen thermischen Wärmebad erreichen zu können, müsste man den Temperaturunterschied um 70 Prozent steigern, was auf klassischem Weg kaum zu verwirklichen ist. Ob die Wärmekraftmaschine aus Mainz jemals praktischen Nutzen finden wird, ist fraglich. Die Forscher wollen vor allem ausloten, wo die Grenzen liegen, wenn man Thermodynamik mit einem einzelnen Atom betreibt.

Energiewende-on-a-Chip Klingt verrückt, hat aber Potential: Miniaturen zum Klimajahr. Folge 2

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