Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nano-Wärmekraftmaschine aus einem Ion verspricht hohen Wirkungsgrad

23.01.2014
An der JGU wird erster Prototyp einer Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine aufgebaut

Wissenschaftler der Universitäten in Mainz und Erlangen-Nürnberg arbeiten an einer Wärmekraftmaschine, die aus einem einzelnen Ion besteht. Eine solche Nano-Wärmekraftmaschine kann einen weit höheren Wirkungsgrad erreichen als etwa ein Automotor oder ein Kohlekraftwerk.


Ein Ion in einer Paul-Falle: Die Wärmekraftmaschine wird durch die auseinanderlaufenden Stäbe realisiert; die Quetschung erfolgt, indem spezielle elektrische Felder angelegt werden.

Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärme in nutzbare mechanische Energie um, wobei der Wirkungsgrad bei einem Ottomotor etwa 25 Prozent beträgt. Bei der vorgeschlagenen Nano-Wärmekraftmaschine aus einem Kalzium-Ion wäre die Effizienz deutlich höher.

Die Wissenschaftler wollen mit ihren Untersuchungen vor allem ein besseres Verständnis der Thermodynamik auf sehr kleinen Skalen erreichen. An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wird derzeit ein erster Prototyp einer solchen Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine aufgebaut.

Wie die Physiker in einem Beitrag für die Fachzeitschrift Physical Review Letters schreiben, folgt der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen, die mit thermischen Wärmebädern angetrieben werden, aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, einer der Säulen der Physik. Die Obergrenze, das sogenannte Carnot-Limit, berechnete der Franzose Sadi Carnot bereits im Jahr 1824. In ihrem Vorschlag für eine Nano-Wärmekraftmaschine können die die Wissenschaftler das klassische Carnot-Limit überschreiten, indem sie die Wärmebäder manipulieren und nicht-klassische Zustände nutzen.

Anhand von Berechnungen und Simulationen wurde vor rund einem Jahr zum ersten Mal gezeigt, dass sich der thermodynamische Kreislauf eines Ottomotors mit einem einzelnen Ion nachstellen lässt. Dazu wird ein einzelnes Kalzium-40-Ion verwendet, eine Million mal kleiner als ein menschliches Haar. „Das Ion stellt im Grunde Kolben und Kurbelwelle, also den gesamten Motor dar“, erklärt Johannes Roßnagel von der Arbeitsgruppe QUANTUM der JGU. Das einzelne Ion würde nun in einer Paul-Falle gespeichert und mit Hilfe von Laserstrahlen und elektrischen Feldern nicht nur gekühlt und erhitzt, sondern zusätzlich noch gequetscht. „So können wir die Impuls-Orts-Verteilung für einen optimalen Wirkungsgrad maßschneidern“, erläutert Roßnagel. „Die Überschreitung des Carnot-Limits einer klassischen Wärmekraftmaschine bedeutet daher keine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, sondern zeigt, dass die Verwendung speziell präparierter, nicht-thermischer Wärmebäder auch verbesserte Wirkungsgrade ermöglicht.“ In ihrer Publikation berechnen die Physiker für diesen Fall ein verallgemeinertes Carnot-Limit. Da die mechanische Leistung einer Ein-Ionen-Maschine äußerst gering ist, liegen mögliche Anwendungen ebenfalls beim Heizen oder Kühlen von Nanosystemen.

Die Manipulation von einzelnen Ionen mittels Laserstrahlen und elektrischen Feldern hat in den vergangenen Jahren eine hohe Perfektion erreicht, was auch durch die Vergabe des Nobelpreises 2012 gewürdigt wurde. Der Vorschlag für eine Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine soll daher in ersten Experimenten tatsächlich in die Praxis umgesetzt und ein erster Prototyp im Labor aufgebaut werden.

Veröffentlichung:
Johannes Roßnagel et al.
Nanoscale Heat Engine Beyond the Carnot Limit
Physical Review Letters, 22. Januar 2014
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.030602
Abbildungen:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_waermekraftmaschine_1.jpg
Simulation des Otto-Motor-Kreislaufs der Ein-Ionen-Maschine: Die umschlossene Fläche entspricht der geleisteten Arbeit, die durch die Quetschung erheblich vergrößert wird.

Quelle: AG Quantum, JGU

http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_waermekraftmaschine_2.jpg

Ein Ion in einer Paul-Falle: Die Wärmekraftmaschine wird durch die auseinanderlaufenden Stäbe realisiert; die Quetschung erfolgt, indem spezielle elektrische Felder angelegt werden.

Weitere Informationen:
Dipl. Phys. Johannes Roßnagel
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23671
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: j.rossnagel@uni-mainz.de
Weitere Links:
http://arxiv.org/pdf/1308.5935v2.pdf
(Nanoscale Heat Engine Beyond the Carnot Limit)
http://arxiv.org/pdf/1205.1362v1.pdf
(Single-Ion Heat Engine at Maximum Power, Physical Review Letters, November 2012)

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.quantenbit.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Flexible Fertigung von Elektromotoren für Fahrzeuge
06.09.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Gewicht von Robomotion-Greifer um 60 Prozent reduziert
31.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Granulare Materie blitzschnell im Bild

21.09.2017 | Verfahrenstechnologie

Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Überleben auf der Schneeball-Erde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie