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Klassische Verbrennungsmotoren sind, physikalisch betrachtet Wärmekraftmaschinen, die den Gesetzen der Thermodynamik gehorchen. Beim Verbrennen von Kraftstoff wandeln Sie über die Verdichtung in einem Kolben Wärmeenergie in mechanische Energie um und treiben somit zum Beispiel ein Fahrzeug an. Beim Elektromotor, der durch Strom betrieben wird, erzeugt ein Generator die Energie, die durch die Drehbewegung zum Beispiel die Achsen eines Autos antreiben kann.

 
Nun gibt es die Idee, einen Motor mit einem quantenmechanischen Antrieb zu entwickeln der weder Kraftstoffe noch Strom benötigt.

Es gibt ein Team um die Physikerin Jennifer Koch von der rheinland-pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau, das an einem quantenmechanischen Antrieb arbeitet. Dieser Quantenmotor braucht keine Zündung eines Brennstoffes, sondern die Energieumwandlung geschieht auf der Basis einer fundamentalen Eigenschaft von Elementarteilchen.
 

Grundlagen für den Antrieb

 
Alle Elementarteilchen kann man in zwei Klassen einteilen. Es gibt Fermionen wie die Elektronen, aus denen sich die Materie zusammensetzt und Bosonen, das sind die Kraft vermittelnden Teilchen wie Photonen. Beide Klassen unterscheiden sich stark voneinander.

Bosonen schließen sich zusammen, um gemeinsam den niedrigsten Energiezustand einzunehmen, dagegen meiden sich Fermionen gegenseitig. Zwei identische Fermionen können nicht den gleichen Quantenzustand einnehmen. Physikalisch spricht man hier vom Pauli-Prinzip. Wegen des Pauli-Prinzips ordnen sich Elektronen in Atomen zu Schalen mit unterschiedlichen Energieniveaus an.

Um die Energiedifferenz zwischen unterschiedlichen Teilchen-Ensembles zu nutzen, machte man davon Gebrauch, dass Fermionen unter bestimmten Versuchsbedingungen wandlungsfreudig sind. Frau Koch bemerkt dazu im Interview mit pro-physik.de:
 

Wir haben die Fermionen jeweils paarweise vereint – dadurch sind Bosonen entstanden. Damit haben wir eine quantenmechanische Alternative zum Zünden eines Kraftstoffes geschaffen, mit der sich unser Quantenmotor betreiben lässt.

 
„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“, sagt Artur Widera vom Forscherteam im Interview weiter. „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.“

Sein Kollege Erich Lutz ergänzt: „Das Thema ist aus Sicht der Wissenschaftscommunity extrem spannend. Damit stoßen wir eine Diskussion darüber an, wie experimentelle 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 Team aus Japan an der theoretischen Modellierung beteiligt war, ergänzt: „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.“
 
 
Quellen:

J.Koch et al.: A quantum engine in the BEC_BCS crossover, Nature 621, 723 (2023); DOI:10.1038/s41586-023-06469-8

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06469-8

https://pro-physik.de/nachrichten/motor-mit-quantenmechanischem-antrieb

https://www.spektrum.de/news/ein-motor-mit-quantenmechanischem-antrieb/2185032