(Doku in HD) Ursprung der Technik - Mechanik des Nahen Ostens
Physiker haben eine Engine entwickelt, die Sie nicht mit bloßem Auge sehen können.
In einem heute in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Wissenschaft Das Forscherteam der Universität Mainz und der Universität Kassel in Deutschland hat ein elektromagnetisches System entwickelt, das ein einzelnes geladenes Calcium-40-Atom einfängt und in Schwingungen versetzt, wobei Energie erzeugt wird wie bei Dampflokomotiven und Automotoren. Aufgrund des quantenmechanischen Zustands dieses winzigen Motors glauben die Physiker, dass das System auf dem gleichen Niveau arbeitet und sogar effizienter sein kann als ein durchschnittlicher Automotor.
"Es gab viele theoretische Erklärungen und Untersuchungen zu den Quanteneigenschaften von Motoren seit den späten 50er Jahren", erzählt der leitende Forscher und Experimentalphysiker der Universität Mainz, Johannes Roßnagel Inverse "Wir haben jetzt gezeigt, dass es möglich ist."
Roßnagel und sein Team begannen vor vier Jahren mit dem Projekt, als sie Quanteneffekte in der Thermodynamik untersuchen wollten, und dachten, der beste Weg zum Experiment wäre die Entwicklung eines Motors. Sie hätten alles von Grund auf mit einem kleinen Budget von wenigen hundert Euro aufbauen müssen, sagt er. Sie mussten eine personalisierte Elektronik und ein System konstruieren, das das Ion sehr genau steuern kann. Sie brauchten ein ganzes Jahr, um die Technik für Temperaturmessungen zu entwickeln. Übliche Methoden sind für ihren Motor zu langsam oder ungenau.
Am Ende hatten sie eine acht Millimeter lange Ionenfalle mit einem Durchmesser von vier Millimetern und Goldplatten und Elektroden, die das einzige Calciumatom (aber jedes geladene Atom könnte die Arbeit erledigen) in einem elektromagnetischen Feld abfangen. Zwei Laser zeigen an den Enden der Falle, einer erhitzt das Atom und der andere kühlt es ab. Diese Temperaturschwankung treibt das Ion an, um eine immer größer werdende harmonische Schwingung zu erzeugen - wie eine Schallwelle. Das ist die gleiche Idee wie bei größeren Wärmekraftmaschinen, die mechanische oder mechanische Arbeit mit Gas oder Flüssigkeiten herstellen. In diesem Fall gibt es nur ein Partikel, erklärt Roßnagel.
Der Ein-Atom-Motor könnte zwar nur 10-22 Watt erzeugen, ist aber eigentlich vergleichbar mit einem Automotor, sagt Roßnagel. Wenn Sie die Energiemenge der einzelnen Gaspartikel im durchschnittlichen Automotor berechnen, liegt die Motorleistung in der gleichen Größenordnung wie der Ein-Atom-Motor.
„Das war für uns sehr überraschend“, sagt Roßnagel. "Dies bedeutet, dass wenn Sie ein solches System auf ein einzelnes Partikel skalieren, es immer noch auf dem gleichen Niveau arbeitet wie makroskopische Engines."
Er und seine Kollegen glauben, dass dieser Wirkungsgrad auf Quanteneffekten beruht, einzigartigen Eigenschaften, die nur durch einzelne Atome und Teilchen erzeugt werden können. Roßnagel erklärt, dass thermodynamische Quanteneffekte dazu führen würden, dass Motoren nicht auf die Temperatur als einzige Energiequelle angewiesen sind und dass die Quanteneigenschaften eines Ein-Atom-Motors das Potenzial haben, noch mehr Leistung als ein thermischer Motor zu erzeugen. Äußere Physiker sind sich jedoch nicht so sicher.
"Ich würde nicht akzeptieren, dass diese Effizienz nur von der" Seltsamkeit der Quantenmechanik "stammt", sagte Hartmut Häffner, theoretischer Physiker an der University of California, Berkeley, der nicht an dem Experiment beteiligt war 2014 schrieb Roßnagel einen Vorschlag über den Motor. Häffner fügt hinzu, dass der potentielle Ein-Atom-Motor selbst „sehr interessant und sehr gut beschrieben ist. Wir versuchen, die Grenzen unseres Wissens über die Thermodynamik in ein neues Regime zu verschieben."
Der Ein-Atom-Motor, den Roßnagel und sein Team gebaut haben, ist der kleinste Motor, den er heute kennt. Es besteht jedoch die Möglichkeit, mit einem einzelnen Elektron noch kleinere zu erzeugen, aber er glaubt nicht, dass ein Interesse daran besteht, eines zu verfolgen. "Wir haben ein einzelnes Teilchen, das im Motor läuft. Ob dies ein Kalziumatom oder ein Elektron ist, macht aus unserer Sicht der Forschung keinen Unterschied."
Als nächstes möchte Roßnagel mit dieser Technologie kleine Kühlschränke bauen. Durch die Umkehrung des thermodynamischen Zyklus würde der Ein-Atom-Motor genau wie ein Kühlschrank laufen, erklärt er. Ihr System erzeugt eine Temperaturdifferenz, wodurch eine beheizte und eine gekühlte Seite entsteht - wie bei unseren Lebensmittellagern. In naher Zukunft kann er auch sehen, wie diese nanoskaligen Engines Chips und Single-Atom-Transistoren verbessern.
„Die während eines Betriebs erzeugte Wärme ist für die Chipindustrie ein sehr großes Problem. Ich denke, zusätzliche Kühlsysteme zur Hand zu haben, wäre sehr hilfreich “, sagt er.
Unabhängig davon, was genau aus dem ursprünglichen Ein-Atom-Motor hervorgeht, glaubt Roßnagel, dass "dies eines Tages einige größere Anwendungen finden wird."
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