Nano-Maschine

Forscher bauen Motor aus einem einzigen Atom

Blick in Vakuumkammer, in der sich die Paul-Falle befindet

(Bild: AG QUANTUM)

Deutsche Forscher haben nach eigenen Angaben den kleinsten Motor der Welt konstruiert. Die winzige Maschine bestehe aus nur einem einzigen Atom und sei in der Lage, effektiv Wärme in Kraft umzuwandeln, teilten die Universitäten in Mainz, Kassel und Erlangen am Freitag mit. Über das gemeinsame Projekt berichten die Physiker in der Fachzeitschrift "Science".

Ein Team um Kilian Singer setzte dafür ein elektrisch geladenes Kalzium-Atom in einer sogenannten Paul-Falle (in ihr werden elektrisch geladene Teilchenmittels eines elektrischen Wechselfeldes gespeichert, Anm.) in heftige Schwingungen und heizten es so auf. In der Schwebe gehalten wird es von wenige Millimeter langen Metallstäbchen. Danach kühlen die Wissenschaftler das Atom wieder ab, indem sie seine Bewegungen mittels Laserstrahlen bremsen. Mit jedem Aufwärm- und Abkühl-Zyklus ("Thermodynamischer Kreisprozess") vergrößere das Teilchen seinen Schwingungsradius und speichere so Energie.

Diese Funktionsweise sei vergleichbar mit dem Auf und Ab der Kolben in den Zylindern eines klassischen Verbrennungsmotors. Auch hier werde eine luftdichte Kammer erhitzt und wieder abgekühlt, wodurch sich das Gas darin ausdehne und zusammenziehe. Durch die Druckschwankungen wird der Kolben auf und ab bewegt und treibt über eine Kurbelwelle ein Schwungrad an.

Der Ein-Atom-Motor liefere eine Leistung von 10 hoch -22 Watt und habe eine Effizienz von 0,3 Prozent. Damit habe der Nanomotor ungefähr die gleiche Leistung pro Atom wie ein Automotor. Die Effizienz ist den Angaben zufolge allerdings geringer - bei Automotoren liege sie bei 25 Prozent. Denkbar sei zudem, den Zyklus im Nanomotor umzukehren. Dann könnte die Maschine als "Kühlschrank" genutzt werden. Vor allem für Technologien, die immer mehr auf Miniaturisierung setzen, seien die neuen Erkenntnisse nützlich.