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Wie Handy-Batterien dank Kontrolle der Energieströme auf Nano-Ebene länger halten können

06.11.2014

Elektronische Geräte verschwenden durch die Erzeugung nutzloser Hitze eine Menge Energie. Das ist einer der Hauptgründe, warum die Batterien unserer Mobiltelefone so schnell verbraucht sind.

Forscher an der Universität Luxemburg sind nun einen großen Schritt vorangekommen im Verständnis dessen, was dabei genau passiert und wie sich diese Energieverschwendung durch die Kontrolle der Energieflüsse auf molekularer Ebene reduzieren ließe. Dies würde unsere Technologie preisgünstiger und langlebiger machen.

Bisher hatten Wissenschaftler nur eine durchschnittliche Vorstellung von der Energieumwandlung in Nano-Geräten. Dank der Forschung an der Universität Luxemburg konnte nun ein vollständigeres Bild gezeichnet werden.

„Wir haben universelle Eigenschaften hinsichtlich der Art und Weise entdeckt, wie die Energieeffizienz von Nano-Systemen fluktuiert”, erklärte Prof. Dr. Massimiliano Esposito von der Forschungseinheit Physik und Werkstoffkunde an der Universität Luxemburg. Durch den praktischen Einsatz dieser Kenntnisse besteht die Möglichkeit, Energieflüsse genauer zu kontrollieren und damit Verschwendung zu vermeiden.

Eine solche Energieflusskontrolle ließe sich durch einen technologischen Regler realisieren, der in den Geräten den natürlichen Wärmefluss von heißen in kühlere Bereiche unterbindet. Diese Entdeckung stellt damit eine Ergänzung zum zweiten thermodynamischen Hauptsatz dar, einer der fundamentalen Theorien in der Physik.

Dieses theoretische Verständnis von der Regulierung von Energieflüssen erweckt den so genannten „Maxwell-Dämon” zum Leben, ein von dem großen Mathematiker und Physiker des 19. Jahrhunderts James Clerk Maxwell eingeführtes Gedankenexperiment. Maxwell stellte sich einen „Dämon” vor, der die Gesetze der Natur überwinden konnte, indem er kalten Molekülen ermöglichte, in heiße Bereiche zu fließen und so auch den natürlichen Wärmefluss revidierte.

Zwei neue Publikationen, veröffentlicht in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften (Physical Review X und Nature Communications), beschreiben diese Ergebnisse. Das Forschungsteam unter Prof. Esposito setzte dafür mathematische Modelle ein. Die Erkenntnisse sollen nun im Labor praktisch umgesetzt werden, bevor eine eventuelle Entwicklung technologischer Anwendungen beginnen kann.

Hinweise an die Redaktion:

Die vollständigen wissenschaftlichen Artikel „Thermodynamics with continuous information flow”, wie in „Physical Review X” veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031015), und „The unlikely Carnot efficiency”, wie in „Nature Communications” veröffentlicht (DOI: 10.1038/ncomms5721), können hier: http://orbilu.uni.lu/handle/10993/18026  und hier: http://orbilu.uni.lu/handle/10993/18027  eingesehen werden.


Weitere Informationen:

http://www.uni.lu  - Webseite der Universität Luxemburg
http://orbilu.uni.lu/handle/10993/18026   - Artikel: „Thermodynamics with continuous information flow”
http://orbilu.uni.lu/handle/10993/18027  - Artikel: „The unlikely Carnot efficiency”

Sophie Kolb | Universität Luxemburg - Université du Luxembourg

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