Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärmeenergie in mechanische Energie um. Dabei wird ausgenutzt, dass Wärme immer von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen fließen will. Dampfmaschinen, Dampfturbinen und Verbrennungsmotoren funktionieren z.T. seit Jahrhunderten auf diesem Prinzip. In jüngster Zeit richtete sich die Aufmerksamkeit von Forscher auf Wärmekraftmaschinen im kolloidalen und molekularen Maßstab, die Strom durch thermische Fluktationen erzeugen.

In den Nature Scientific Reports veröffentlichten kürzlich Iman Aboli, Prof. Jens-Uwe Sommer und Dr. Abhinav Sharma von IPF-Institut Theorie der Polymere gemeinsam mit Partnern in Düsseldorf und Fribourg/CH eine Studie, die eine neue Methode zeigt, um Eigenschaften und Leistung einer so genannten Brownschen Wärmekraftmaschine über ein externes Magnetfeld gezielt einzustellen. Die Autoren stellen eine abstimmbare Brownsche Magneto-Wärmepumpe vor. Ein einzelnes geladenes Brownsches Teilchen wird in einem konstanten externen Magnetfelds der Lorentzkraft und gleichzeitig unterschiedlichen thermischen Fluktationen entlang der x- und y-Richtung ausgesetzt. Das kann experimentell realisiert werden, indem ein stark schwankendes elektrisches Feld in eine Richtung angelegt wird, das die Rolle einer zusätzlichen Temperatur nachahmt. In der Folge führt das Teilchen eine kreisende Bewegung um ein potentielles Energieminimum aus. Es wird gezeigt, dass ein solcher Magneto-Gyrator sowohl als Wärmekraftmaschine als auch als Kühlschrank betrieben werden kann. Der Magneto-Kühlschrank wird hergestellt, indem eine externe Arbeit angewendet wird, um Wärmeenergie gegen den Temperaturgradienten zu erzeugen. Die vom Motor abgegebene maximale Leistung und die Leistung eines Magneto-Kühlers, nämlich die Wärmerate, die pro Einheit externer Arbeit übertragen wird, können durch das angelegte Magnetfeld abgestimmt und optimiert werden. Darüber hinaus können die grundlegenden Eigenschaften des Motors, wie etwa die Drehrichtung und das vom Motor auf das Begrenzungspotential ausgeübte Drehmoment, durch Variieren der Stärke und Richtung des angelegten Magnetfelds eingestellt werden. Experimentell realisiert werden kann der Magneto-Gyrator in komplexen Plasmen.

Diese Arbeit ist relevant für den Entwurf mikroskopischer Maschinen, die nützliche Arbeit verrichten können, für die sie den Antrieb aus einer fluktuierenden Umgebung gewinnen.

Tunable Brownian magneto heat pump
Iman Abdoli (IPF/TUD), René Wittmann (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ), Joseph Michael Brader (Université de Fribourg, CH), Jens‑Uwe Sommer (IPF/TUD), Hartmut Löwen (HHU Düsseldorf) und Abhinav Sharma (IPF/TUD)
DOI: 10.1038/s41598-022-17584-3
www.nature.com/scientificreports

28.10.2022

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