Nanotechnologie
Forscher entwickeln die Ein-Atom-Maschine

Gerade mal ein Atom groß ist eine von deutschen Wissenschaftlern entwickelte Wärmekraftmaschine. Die Leistung der Nanomaschine ist proportional mit der eines Autos vergleichbar.

BerlinWissenschaftler der Universitäten in Erlangen, Kassel und Mainz haben eine Maschine gebaut, die nur aus einem Atom besteht. Es ist eine Wärmekraftmaschine, die thermische Energie in mechanische Arbeit wandelt.

Die Forscher um Johannes Roßnagel von der Mainzer Universität haben ein positiv geladenes Calcium-40-Atom in einer Paul-Falle eingefangen, einem trichterförmigen elektromagnetischen Feld, in dem sich das Atom radial bewegen kann. Das Atom wurde zunächst mit elektrischem Rauschen aufgeheizt, danach per Laserkühlung wieder abgekühlt.

Wurde das Atom erwärmt, schwang es stärker. Dabei bewegte es sich zum breiten Ende des Trichters. Kühlte es ab, wurden die Schwingungen geringer, das Atom bewegte sich zum schmalen Ende des Trichters. Die Forscher vergleichen diese Schwingungen mit den Bewegungen eines Kolbens im Zylinder.

Mit jedem Zyklus aus Aufwärmen und Abkühlen, thermodynamischer Kreisprozess genannt, vergrößert das Teilchen seinen Schwingungsradius und speichert auf diese Weise Energie. Besonders leistungsfähig ist der Ein-Atom-Motor – zumindest auf den ersten Blick – nicht: 10 hoch -22 Watt. Gemessen an seiner Masse entspricht die Leistung aber in etwa der eines Automotors. Die Effizienz liegt bei 0,3 Prozent.

Eine Anwendung haben die Forscher auch schon: „Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als einatomigen Kühlschrank betreiben und damit gekoppelte Nanosysteme kühlen“, sagt Roßnagel. Er beschreibt das Experiment zusammen mit seinen Kollegen in der Fachzeitschrift Science.

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