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Mikromaschinen : Die Dampfmaschine für die Mikrowelt

Bild: INTERFOTO

Stuttgarter Wissenschaftlern ist es gelungen, eine funktionierende Dampfmaschine zu bauen, die nur wenige Mirkometer groß ist. Statt mit einem Arbeitsgas, Zylinder und Kolben, arbeitet sie mit einem Kunststoffkügelchen und zwei Laserstrahlen.

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          Die kleinste Dampfmaschine der Welt misst nur wenige tausendstel Millimeter und entstammt dem Labor von zwei Wissenschaftlern der Universität Stuttgart. Die  winzige Vorrichtung ist in der Lage, wie ihr großes Vorbild - die vor rund zweihundert Jahren von Robert Stirling erfundene Wärmekraftmaschine - Wärme in mechanische Energie zu verwandeln und so Arbeit zu verrichten.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ausgeklügeltes Laserspiel

          In einem Stirlingmotor wird üblicherweise ein Zylinder immer wieder erhitzt und abgekühlt, wodurch sich das darin befindliche Gas ausdehnt und zusammenzieht. Dabei wird ein Kolben auf und ab bewegt, der etwa ein Rad antreibt. Bei dem Miniaturmodell der Stuttgarter Forscher übernimmt die Rolle des Gases eine drei Mikrometer große Kunststoffkugel, die in einer mit Wasser gefüllten Kammer schwimmt und von einem gebündelten Laserstrahl - dem Kolben - mit periodisch schwankender Intensität hin und her bewegt wird. Kurze Pulse eines zweiten Lasers erhitzen das Kügelchen schlagartig auf 90 Grad und lassen es ebenso rasch wieder auf Raumtemperatur abkühlen. Auf diese Weise ist es Clemens Bechinger und Valentin Blickle gelungen, die Kompressions- und Expansionsphasen des Stirlingprozesses zu simulieren, wie sie in der Zeitschrift "Nature Physics" (doi: 10.1038/NPHYS2163) berichten.

          Funktionsprinzip der Mikro-Waermekraftmaschine dar: Ein drei Mikrometer großes Kuststoffkügelchen bewegt sich hin und her, Angetrieben wird sie von den  Wärmeunterschieden, die ein Laserstrahl erzeugt.

          Stotternder Motor

          Die geleistete Arbeit zeigt sich jedoch nur indirekt und zwar an periodischen Schwankungen des Laserfeldes, das die Kugel bewegt. Allerdings läuft die Maschine nicht "rund". Der Grund sind zufällige Zusammenstöße der Wassermoleküle mit dem Kunststoffkügelchen, wodurch Energie ausgetauscht und verloren geht. Dadurch schwankt die "gewonnene" mechanische Energie von Zyklus zu Zyklus.

          Erstaunt hat die beiden Forscher, dass die Maschine dennoch im Mittel genauso viel Energie pro Takt in Arbeit umsetzt und unter Volllast ähnlich  effizient läuft wie ihr makroskopisches Pendant. Auch wenn alles vortrefflich funktioniert, eine Anwendung gibt es derzeit noch nicht, da es noch an entsprechenden Apparaten mangelt. 

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