Wegen der besonderen Gesetzmäßigkeiten in der Mikrowelt konnten die Forscher den winzigen Motor nicht nach dem üblichen Bauplan konstruieren. In der vor knapp 200 Jahren von Robert Stirling erfundenen Wärmekraftmaschine wird ein mit Gas gefüllter Zylinder periodisch erhitzt und abgekühlt, so dass sich das Gas ausdehnt und zusammenzieht. Dabei wird ein Kolben in eine Bewegung versetzt, mit der er etwa ein Rad antreibt. Den Forschern ist es gelungen, diese grundlegenden Teile einer Wärmemaschine auf nur wenige Mikrometer zu verkleinern und diese dann zusammenzusetzen.
Das Arbeitsgas besteht im Stuttgarter Experiment nicht mehr aus einem Volumen vieler Gasteilchen, sondern nur noch aus einem einzelnen, etwa drei Mikrometer großen Kunststoffkügelchen, das in Wasser schwebt. Da das Kolloidpartikel aber immerhin noch etwa 10.000 Mal größer als ein Atom ist, können die Forscher dessen Bewegung direkt in einem Mikroskop beobachten.
Zusammenspiel von Laserstrahlen liefertEnergie
Den Kolben, der sich in einem Zylinder periodisch auf und ab bewegt, ersetzen die Physiker durch einen fokussierten Laserstrahl, dessen Intensität periodisch variiert wird. Die optischen Kräfte des Lasers schränken die Bewegung des Kunststoffteilchens einmal stärker und einmal weniger stark ein, ganz analog zur Kompression und Expansion des Gases im Zylinder einer großen Wärmemaschine. Damit sich die Prozesse bei der Kompression und Expansion nicht gegenseitig aufheben, müssen diese bei unterschiedlichen Temperaturen stattfinden. Zu diesem Zweck wird das System ? genauso wie der Kessel einer Dampfmaschine ? beim Expansionsprozess von außen erhitzt. Das Kohlefeuer einer Dampfmaschine ersetzten die Forscher durch einen weiteren Laserstrahl, der das Wasser schlagartig erhitzt, aber auch plötzlich wieder abkühlen lässt, sobald er ausgeschaltet wird. Durch das geschickte Zusammenspiel der beiden Laserstrahlen bewegte sich dann schließlich die Kunststoff-Kugel ? sie kann also Arbeit leisten.
Im Gegensatz zu ihren großen Brüdern läuft die Mikromaschine allerdings nicht ganz rund, wie die Forscher berichten. Das liege daran, dass die Wassermoleküle im System ständig mit dem Mikroteilchen zusammenstoßen. Dieser Effekt lässt die gewonnene Energiemenge von Zyklus zu Zyklus stark variieren, erklären die Physiker. Unterm Strich kann sie aber dennoch im Mittel genauso viel Energie pro Zyklus in Arbeit umsetzen wie ihre makroskopischen Gegenstücke.
