Die bei einem Ottomotor anfallenden Abgase könnten zur Speisung eines Lasers verwendet werden und somit die Leistungsfähigkeit des Motors steigern. Darüber berichtet ein amerikanischer Physiker in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 050602). Die Gesetze der klassischen Thermodynamik werden bei diesem Prozess nicht verletzt. Ob dieser “Quanten-Nachbrenner” jedoch jemals eine praktische Anwendung finden wird, ist fraglich.
Der an der A&M-Universität im US-Bundesstaat Texas arbeitende Wissenschaftler Marlan Scully untersuchte in seiner Theoriearbeit, ob der Wirkungsgrad eines thermodynamischen Kreisprozesses mit Hilfe der Quantenmechanik gesteigert werden kann. Seine Analyse eines vereinfachten Ottomotors ergab in der Tat, dass die bei diesem Prozess anfallenden Abgase zur Aufheizung eines Laserresonanzkörpers eingesetzt werden können. Dadurch werden die Atome des Lasers angeregt, und die bei der Rückkehr der Atome in den Grundzustand in Form von Photonen freiwerdende Energie erhöht in der Tat den Wirkungsgrad des Kreisprozesses.
Der klassische Ottokreisprozess besteht aus vier Schritten: Ein Gas wird in einem Zylinder bei konstanter Temperatur komprimiert und anschließend bei konstantem Volumen aufgeheizt. Eine anschließende Ausdehnung des Gases liefert dann die nutzbare mechanische Arbeit. In einem letzten Schritt wird das Gas bei konstantem Volumen abgekühlt ? danach beginnt der Kreisprozess mit der Kompression des Gases von vorne.
Der Quanten-Nachbrenner setzt nun genau nach diesem letzten Schritt an. Das abgekühlte Gas wird bei konstanter Temperatur durch einen Laserresonanzkörper geleitet und erhöht damit dessen Energie. Nach einem anschließenden Aufheizen des Gases wird nun auch der Resonanzkörper aufgeheizt. Dies erhöht nun allerdings nicht die thermische Energie der Atome des Lasers, sondern deren interne Energie: Die Elektronen der Atome werden in höhere Energiezustände versetzt. Die Rückkehr der Atome in den Grundzustand setzt mehr Energie frei, als eine klassische Aufheizung des Gases ergeben hätte ? der neue Kreisprozess hat damit einen höheren Wirkungsgrad als der klassische Ottoprozess.
Marlan Scully arbeitet bereits an einer experimentellen Realisierung des Quanten-Nachbrenners. Zwar ist fraglich, ob dieser jemals in wirklichen Motoren eingesetzt werden kann. Allerdings zeigt diese Arbeit auf interessante Weise auf, wie Wärmekraftmaschinen der klassischen Thermodynamik durch die Quantenmechanik verbessert werden können ? ohne gegen deren Gesetze zu verstoßen, versteht sich.
Stefan Maier
