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Forscher bauen rekordverdächtigen Mini-Motor

Was in großem Maßstab gelingt, klappt im Kleinen nicht immer. Deutsche Wissenschaftler haben es dennoch geschafft, eine Wärmekraftmaschine im Mikroformat zu bauen. Allerdings stottert der winzige Motor.

Vor knapp 200 Jahren präsentierte der schottische Ingenieur Robert Stirling den später nach ihm benannten Motor: eine Wärmekraftmaschine, die Wärme in mechanische Arbeit umwandelt. Nun ist es zwei Forschern vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Universität Stuttgart gelungen, diesen Motor im Mikromaßstab nachzubauen.

Versuchsaufbau: Winziger Stirlingmotor an der Uni Stuttgart

„Wir haben die kleinste Dampfmaschine, genauer gesagt den kleinsten Stirlingmotor der Welt entwickelt und festgestellt, dass die Maschine tatsächlich Arbeit verrichtet“, erklärt Forscher Clemens Bechinger das im Fachmagazin „Nature Physics“ vorgestellte Prinzip. „Zu erwarten war das nicht unbedingt, weil die Maschine so klein ist, dass ihre Bewegung von mikroskopischen Prozessen gestört wird, die in der Makrowelt keine Rolle spielen.“
Im originalen Stirlingmotor wird ein mit Gas gefüllter Zylinder in regelmäßigen Abständen erhitzt und abgekühlt. Dadurch dehnt sich das Gas aus und zieht sich wieder zusammen, was einen Kolben bewegt. Der Kolben wiederum kann beispielsweise ein Rad antreiben – so wird die mechanische Arbeit nutzbar.

Maschine läuft unrund – ist aber effizient

Beim Mini-Motor ersetzt ein rund drei Mikrometer großes, in Wasser schwimmendes Kunststoffkügelchen das Gas. Statt eines Kohlefeuers liefert ein Laser die nötige Hitze. Und im Zusammenspiel mit einem zweiten Laserstrahl zeigt sich die mechanische Arbeit – wenn auch für Laien bei weitem nicht so plastisch wie ein sich bewegender Kolben.

Die Arbeit könne noch nicht praktisch genutzt werden, erklären die Forscher; es gibt also kein Rädchen, das sich am Ende dreht. Aber die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Wärmekraftmaschine funktioniert. „Uns ist es gelungen, die essentiellen Teile einer Wärmemaschine wie Arbeitsgas und Kolben auf nur wenige Mikrometer zu verkleinern und diese dann zu einer Maschine zusammenzusetzen“, sagt der ebenfalls an der Studie beteiligte Valentin Blickle.
Allerdings läuft die Maschine unrund – sie stottert gewissermaßen. Die Wassermoleküle, die das Kunststoffkügelchen umgeben, stoßen fortwährend mit ihm zusammen. Dabei tauschen Kugel und Umgebung Energie aus – die für den Prozess verlorengeht. „Dieser Effekt führt dazu, dass die gewonnene Energiemenge von Zyklus zu Zyklus stark variiert und die Maschine im Extremfall sogar zum Stillstand bringt“, sagt Blickle. Bei großen Motoren passiert dies zwar auch, fällt jedoch wegen der ungleich größeren Energiemenge, die dort umgesetzt wird, nicht ins Gewicht.

Trotzdem läuft die winzige Maschine nach Angaben der Physiker erstaunlich effizient. Es könnte demnach möglich sein, zuverlässige Mini-Motoren zu bauen.

via: http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/

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