Mobilität 08. Nov 2023 Von Peter Kellerhoff Lesezeit: ca. 3 Minuten

Ist der Quantenmotor der Antrieb der Zukunft?

In einer Studie haben Forschende der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) einen Motor mit quantenmechanischem Antrieb entwickelt. Eine Revolution?

Prof. Widera mit MitarbeiterInnen, Prof. Widera mit MitarbeiterInnen, Prof. Widera mit MitarbeiterInnen, Prof. Widera mit MitarbeiterInnen
Quantenmotor der RPTU: Studienleiter Artur Widera (re.) mit Jennifer Koch (Erstautorin der Studie, li.) und Sian Barbosa (Mitte), beide aus seiner Arbeitsgruppe, sowie Eloisa Cuestas (Mitautorin aus Okinawa, vorne).
Foto: RPTU/Kozie

Klassische Motoren sind Wärmekraftmaschinen und folgen den Gesetzen der Thermodynamik. Sie wandeln die beim Verbrennen von Kraftstoff frei werdende Wärmeenergie über Verdichtung in einem Kolben in mechanische Energie oder Bewegungsenergie um.

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Die Idee eines Motors in die Quantenwelt zu übertragen, ist nicht neu. Professor Artur Widera hatte bereits in einer vergangenen Forschungsarbeit gezeigt, dass es möglich ist, eine Quantenwärmemaschine stabil und effizient zu betreiben. Jetzt ist es ihm und seiner Arbeitsgruppe gemeinsam mit Kollegen der Universität Stuttgart und des Okinawa Institute of Science and Technology in Japan gelungen, einen Quantenmotor zu entwickeln, der als Antrieb ein anderes, rein quantenmechanisches Phänomen nutzt.

Die Quantenphysik setzt sich mit den Naturgesetzen im atomaren und subatomaren Bereich auseinander. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse haben beispielsweise die Entwicklung von Computerchips, Kernspintomografen oder Navigationssystemen ermöglicht. In einer aktuellen Forschungsarbeit präsentieren die Forschenden der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) einen Quantenmotor, der sich nicht im klassischen Sinne mit thermodynamischen Prinzipien beschreiben lässt. Der Antrieb erfolgt quantenmechanisch, nicht durch Wärmeübertragung.

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Der Quantenmotor nutzt Energiedifferenz als Antrieb

„In der Quantenwelt bzw. auf atomarer Ebene unterscheiden wir zwei Klassen von Teilchen: Bosonen und Fermionen“, erläutert Jennifer Koch, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe und Erstautorin der Studie. „Diese unterscheiden sich in einer Eigenschaft – und zwar in ihrem Eigendrehimpuls oder Spin.“ Kommt eine Vielzahl an Bosonen und Fermionen jeweils in einer sogenannten Atomfalle in ultrakalter Umgebung zusammen (in der thermische Effekte keine Rolle spielen), passiert Folgendes: „Werden die Bosonen nicht von thermischer Energie gelenkt, bleiben sie energetisch im Grundzustand und gesellen sich zueinander“, erklärt die Physikerin. „Die Fermionen hingegen folgen dem Pauli-Prinzip.“ Das Pauli-Prinzip besagt, dass sich zwei identische Fermionen nicht im gleichen Energiezustand befinden können. Stattdessen entfernen sie sich voneinander und nehmen dabei verschiedene Anregungszustände bzw. steigende Energieniveaus ein. Der entscheidende Knackpunkt für die Forschung: „Der Gesamtenergiebetrag des Fermionen-Ensembles ist höher“, resümiert Koch.

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Um die Energiedifferenz zwischen den unterschiedlichen Teilchenensembles zu erschließen, nutzte das Forscherteam die Tatsache, dass Fermionen unter geeigneten Versuchsbedingungen wandlungsfreudig sind. Die Physikerin erklärt: „Wir haben die Fermionen jeweils paarweise vereint – dadurch sind Bosonen entstanden. Damit haben wir eine quantenmechanische Alternative zum Zünden eines Kraftstoffs geschaffen, mit der sich unser Quantenmotor betreiben lässt.“

Quantenmotor hat höhere Leistung als ein Standardmotor

Der „Proof of Concept“ ist somit gelungen. Was passiert mit den Erkenntnissen? „Im Moment sind wir von einer konkreten Anwendung zwar noch entfernt, weil unsere Entwicklung nur unter speziellen Versuchsbedingungen funktioniert. Ich bin aber überzeugt, dass in unserer Grundlagenforschung wertvolles Potenzial steckt, das Anregungen für neue Anwendungen in der Festkörperphysik geben kann, beispielsweise in Supraleitern, wo ebenfalls fermionische Elektronen als Paare den Strom verlustfrei leiten“, zieht Widera Bilanz. „Unser Motor hatte im Vergleich zu einer Standardmaschine bereits eine gute Leistung. Und je mehr Teilchen die Ensembles enthalten, desto höhere Energieniveaus und damit Energieausbeuten lassen sich erreichen“, sagt Widera.

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Quantenmotor für die Wissenschaft hochinteressant

Eric Lutz, einer der Co-Autoren der Studie, ergänzt einen weiteren Aspekt: „Das Thema ist aus Sicht der Wissenschaftscommunity extrem spannend. Damit stoßen wir eine Diskussion darüber an, wie die experimentellen Resultate überhaupt fachlich einzuordnen sind. Können wir die Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik heranziehen? Wenn nicht, wie beschreiben wir dann die Prozesse, die unseren Motor zum Laufen bringen?“ Und Thomas Busch, dessen Arbeitsgruppe aus Japan an der theoretischen Modellierung beteiligt war, fügt hinzu: „Diese Fragen helfen, das Wissen um die Welt der kleinsten Teilchen voranzubringen und zu verstehen, wie wir deren Eigenschaften für weitere technische Innovationen nutzen können.“

* mit Material der RPTU

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