Forschende haben einen neuen Motor entwickelt, der ganz anders als der klassische Verbrenner funktioniert. Aber auch mit dem Elektromotor hat dieses Exemplar nichts zu tun. Stattdessen bedient er sich eines Vorgangs aus der Quantenmechanik.
Quantenmechanik könnte klassischen Motor ersetzen
Die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors ist recht simpel. Ein Luft-Gas-Gemisch wird erhitzt und dehnt sich dadurch explosiv aus. Dadurch wird ein Kolben angetrieben, der das Gefährt in Bewegung setzt. Wärmeenergie wird also in kinetische Energie umgewandelt. Beim Elektromotor nutzt man anstelle von Wärmeenergie, die durch die Verbrennung von Kraftstoff entsteht, elektrische Energie. Auch wenn diese beiden Motoren und ihre technischen Details also grundlegend verschieden sind, beruhen sie auf der Idee der Energieumwandlung.
Jennifer Koch und ihr Team von der Universität in Kaiserslautern-Landau haben sich jedoch etwas gänzlich neues einfallen lassen. Sie nutzen Gesetzmäßigkeiten aus der Quantenmechanik, damit der Motor eine Maschine antreiben kann. Dieser Quantenmotor verwendet also keinen Brennstoff und auch keinen Strom im klassischem Sinne. Stattdessen macht man sich die Bewegung Elementarteilchen beim Antrieb zunutze, erklärt Spektrum.
Eigenschaften von Fermionen und Bosonen
In der Quantenmechanik gibt es im Groben zwei Teilchenfamilien: Die Fermionen und die Bosonen.
Die Fermionen sind jene Teilchen, aus denen sich Materie zusammensetzt. Zu ihnen zählen Elektronen und Quarks. Von Elektronen wissen wir, dass sie sich in Schalen um einen Atomkern ansiedeln. Da sie zu den Fermionen gehören, weisen sie darüber hinaus die Eigenschaft auf, dass sie dabei nie denselben Quantenzustand annehmen. Das ist durch das Pauli-Prinzip bereits wissenschaftlich beschrieben.
Bosonen hingegen ticken ganz anders. Sie kommen in Haufen zusammen und „hocken gerne aufeinander“. Sie formen dafür aber auch keine Materie, sondern dienen dazu Energie freizusetzen. Bekannte Bosonen sind beispielsweise Photonen oder Gluonen, die man aus der Elektrotechnik oder Kernforschung kennt.
Freigewordene Energie heizt Motor an
Interessanterweise kann man aus Fermionen tatsächlich Bosonen machen. Dazu muss man zwei von ihnen lediglich miteinander verbinden. Während dieses Übergangs „stapeln“ sich die Fermionen in ihrem Energiezustand. Das Pauli-Prinzip der Quantenmechanik sagt schließlich aus, dass die beiden Teilchen nicht denselben Zustand haben dürfen. Also nimmt eines schlicht den nächst höheren ein.
Durch die paarweise Kopplung setzten die Forschenden dann das Prinzip außer Kraft. Die Fermionen, die nun Bosonen sind, waren plötzlich in der Lage, denselben und vor allem den niedrigeren Energiezustand einzunehmen. Die freigewordene Energie hat das Team um Jennifer Koch dann für den Motor nutzen können.
Labor- aber nicht massentauglich
Für den Versuch im Labor mussten die Forschenden Extrembedingungen bereitstellen. Damit der Motor mit Quantenmechanik betrieben werden konnte, haben sie die Fermionen erst einmal auf frostige minus 273,15 Grad Celsius kühlen müssen. Nach Abschluss des Übergangs erzielten die Forschenden zweifellos einen Meilenstein: „Damit haben wir eine quantenmechanische Alternative zum Zünden eines Kraftstoffs geschaffen, mit der sich unser Quantenmotor betreiben lässt“, sagt Koch treffend. Allerdings lässt sich diese Funktionsweise nur schwerlich außerhalb des Labors nachstellen.
„Im Moment sind wir von einer konkreten Anwendung noch entfernt, weil unsere Entwicklung nur unter speziellen Versuchsbedingungen funktioniert“, gibt Arthur Widera, Co-Autor der Studie, gegenüber dem Informationsdienst Wissenschaft zu verstehen. Dennoch sind die Fachleute optimistisch. Die bisherigen Ergebnisse können sich sehen lassen. Weitere Forschung soll zeigen, ob der Quantenmotor den Verbrenner und gar den E-Antrieb ablösen kann.
Quelle: Spektrum, Informationsdienst Wissenschaft
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