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„Wir haben universelle Eigenschaften hinsichtlich der Art und Weise entdeckt, wie die Energieeffizienz von Nano-Systemen fluktuiert”, sagt Massimiliano Esposito.

Elektronische Geräte verschwenden durch die Erzeugung nutzloser Hitze eine Menge Energie. Das ist einer der Hauptgründe, warum die Batterien unserer Mobiltelefone so schnell verbraucht sind.

Forscher an der Universität Luxemburg verstehen jetzt besser, was bei diesem Prozess genau passiert und wie sich diese Energieverschwendung durch die Kontrolle der Energieflüsse auf molekularer Ebene reduzieren ließe. Dies würde die Technologie preisgünstiger und langlebiger machen.

Energieflüsse in Nanogeräten genauer kontrollieren

Bisher hatten Wissenschaftler nur eine ungefähre Vorstellung von der Energieumwandlung in Nano-Geräten. Dank der Forschung an der Universität Luxemburg konnte nun ein vollständigeres Bild gezeichnet werden.

„Wir haben universelle Eigenschaften hinsichtlich der Art und Weise entdeckt, wie die Energieeffizienz von Nano-Systemen fluktuiert”, erklärte Prof. Massimiliano Esposito, FNR ATTRACT Fellow in der Forschungseinheit Physik und Werkstoffkunde an der Universität Luxemburg. Durch den praktischen Einsatz dieser Kenntnisse besteht die Möglichkeit, Energieflüsse genauer zu kontrollieren und damit Verschwendung zu vermeiden.

Können wir die Gesetze der Natur überwinden?

Eine solche Energieflusskontrolle ließe sich durch einen technologischen Regler realisieren, der in den Geräten den natürlichen Wärmefluss von heißen in kühlere Bereiche unterbindet. Diese Entdeckung stellt damit eine Ergänzung zum zweiten thermodynamischen Hauptsatz dar, einer der fundamentalen Theorien in der Physik (siehe Infobox).

Dieses theoretische Verständnis von der Regulierung von Energieflüssen erweckt den so genannten „Maxwell-Dämon” zum Leben, ein von dem großen Mathematiker und Physiker des 19. Jahrhunderts James Clerk Maxwell eingeführtes Gedankenexperiment. Maxwell stellte sich einen „Dämon” vor, der die Gesetze der Natur überwinden konnte, indem er kalten Molekülen ermöglichte, in heiße Bereiche zu fließen und so den natürlichen Wärmefluss revidierte.

Nächster Schritt: Theorie im Labor praktisch umsetzen

Zwei neue Publikationen, veröffentlicht in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften (Physical Review X und Nature Communications), beschreiben diese theoretischen Ergebnisse. Das Forschungsteam unter Prof. Esposito setzte dafür mathematische Modelle ein. Die Erkenntnisse sollen nun im Labor praktisch umgesetzt werden, bevor eine eventuelle Entwicklung technologischer Anwendungen beginnen kann.

Autor: Uni Luxemburg
Photo © Uni Luxemburg

 

Infobox

Molekül

Ein Molekül ist ein Teilchen, das aus zwei oder mehr Atomen besteht und durch chemische Bindungen zusammengehalten wird.

Zweiter thermodynamischer Hauptsatz

Thermodynamik ist ein Teilbereich der Physik, der sich mit Wärme und Energie beschäftigt. Er ist auf mehreren Gesetzen basiert, die beschreiben, wie sich Wärme und Energie in einem System verhalten können. Der zweite thermodynamische Hauptsatz behauptet unter anderem dass Wärme auf natürliche Weise immer von Heiß nach Kalt fließt. Der umgekehrte Weg sei nur mithilfe von Arbeit, sprich Energiezufuhr möglich.

Publikationen

Die vollständigen wissenschaftlichen Artikel „Thermodynamics with continuous information flow”, wie in „Physical Review X” veröffentlicht, und „The unlikely Carnot efficiency”, wie in „Nature Communications” veröffentlicht, können hier und hier eingesehen werden.

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