Mittwoch, 05.08.2020
 
Seit 19:05 Uhr Kommentar
StartseiteForschung aktuellWabernde Energie überträgt Wärme trotz Vakuum12.12.2019

Neuer QuanteneffektWabernde Energie überträgt Wärme trotz Vakuum

Thermoskannen machen sich den Effekt zunutze: im Vakuum wird keine Wärme geleitet. Doch dies gilt nicht immer. Liegen zwei Gegenstände im luftleeren Raum ganz dicht beieinander, kann doch Wärme übertragen werden. Ursache ist die Quantenfluktuationen, eine Art Energie-Wabern im Nichts.

Von Frank Grotelüschen

Hören Sie unsere Beiträge in der Dlf Audiothek
Glashütte (Brandenburg): Eine Besucherin des Museumsdorfes Glashütte (Landkreis Teltow-Fläming) betrachtet eine Ausstellung von verschiedenen Thermoskannen. Von hier stammt der Erfinder dieser bis heute geschätzten praktischen Isoliergefäße Reinhold Burger (1866-1954).  (picture alliance / ZB / Patrick Pleul)
Das Vakuum isoliert hervorragend, wie z.B. Thermoskannen zeigen. Doch auch im Vakuum kann Wärme übertragen werden. Das hat ein Forscherteam der kalifornischen Berkeley-Universität entdeckt. (picture alliance / ZB / Patrick Pleul)
Mehr zum Thema

Quantenverschränkung Niederländer bestätigen seltsame Regeln der Quantenphysik

Rekord bei Verschränkung Physiker legen Grundstein für Quanteninternet

Physik Rätsel in der Welt der Quanten

Quantenkosmos Die Sippschaft von Schrödingers Katze

Wie gelangt Wärme von einem Ort zu einem anderen? Nun, sagt der Physiker King Yan Fong von der kalifornischen Berkeley-Universität, da gibt es drei Mechanismen.

"Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Bei der Wärmeleitung geben schwingende Atome ihre Bewegungsenergie an ihre Nachbarn weiter. Bei der Konvektion wird die Wärmeenergie von einem strömenden Medium transportiert, einer Flüssigkeit oder einem Gas. Und mit Wärmestrahlung lässt sich ein Objekt erhitzen, indem man es einfach mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt."

Lehrmeinung widerlegt

Gegenstände im Vakuum lassen sich nur mit Wärmestrahlung erwärmen. Denn die anderen beiden Mechanismen – Wärmeleitung und Konvektion – benötigen für die Übertragung von Wärme ein Medium. Und das gibt es im Vakuum nun mal nicht. Soweit die Lehrmeinung. Doch King Yan Fong und seinem Chef Xiang Zhang ist an der kalifornischen Berkeley-Universität ein Experiment gelungen, mit dem sie das Lehrbuchwissen widerlegen.

"Wir haben zwei Membranen, die sich in einer Entfernung von 300 Nanometern gegenüberstehen. Die eine Membran haben wir erwärmt, die andere blieb kalt. Als wir die beiden dann immer dichter zusammenschoben, setzte der Wärmetransport ein: Die warme Membran wurde kälter und die kalte wärmer. Und schließlich hatten beide dieselbe Temperatur."

Geisterhafter Quanteneffekt sorgt für Wärmeaustausch

In Zahlen: Zu Beginn des Experiments war die eine Membran 25 Grad wärmer als die andere. Nach der Annäherung waren beide gleich warm, ohne sich dabei zu berühren. Und beide Membranen steckten dabei wohlgemerkt in einer Vakuumkammer, die nahezu vollständig luftleer gepumpt war. Ein scheinbar magisches Ergebnis, denn ein Strahlungsaustausch hatte nicht zwischen beiden Membranen stattgefunden. Wie aber kam die Wärme dann von A nach B? Durch einen geisterhaften Quanteneffekt, erklärt King Yan Fong.

"Das Vakuum, über das wir hier sprechen, enthält keine Materie, keine Moleküle, kein Licht. Dennoch ist da etwas – und zwar Quantenfluktuationen, eine Art Energie-Wabern im Nichts. Und diese Fluktuationen bewirken, dass zwischen den zwei Objekten im Vakuum eine schwache Kraft wirkt, die Casimir-Kraft."

Phänomen begrenzt auf winzigste Dimensionen

Diese Kraft ist in der Physik wohlbekannt, sie wurde mehrfach nachgewiesen. Hier wirkt sie wie eine unsichtbare Stahlfeder, die zwischen den Membranen gespannt ist. Diese Feder wird durch die schnell vibrierenden Atome in der warmen Membran in Bewegung versetzt. Diese Bewegung überträgt die Feder dann auf die Atome in der kalten Membran. Diese fangen dadurch schneller an zu schwingen, die kalte Membran wird wärmer. Das Ganze passiert also nach dem Mechanismus der Wärmeleitung – nur nicht vermittelt durch ein Medium, sondern durch eine Quantenkraft. Allerdings ist das Phänomen begrenzt auf winzigste Dimensionen.

"Damit der Effekt zwischen zwei Objekten wirken kann, müssen sie sehr dicht beieinander sein, in der Größenordnung von Nanometern, also von millionstel Millimetern. Doch in solchen Dimensionen ist der Effekt dann wirklich signifikant."

Genau das inspiriert das kalifornische Team, bereits über mögliche Anwendungen nachzudenken, etwa in der Nanotechnologie. Ein Beispiel:

"In der Mikroelektronik ist das Wärmemanagement mittlerweile ein großes Thema. Die heutigen Prozessoren werden so heiß, dass man ihre Wärme mit Lüftern abführen muss. Mit unserem neuen Mechanismus der Wärmeleitung sind Bauteile denkbar, mit denen sich die Wärme deutlich effizienter abführen ließe."

Um das zu schaffen, müsste man die Prozessoren allerdings anders designen als bisher, sonst kann der neue Effekt nicht greifen. King Yan Fong und seine Leute haben dafür immerhin die Grundlage geschaffen.

Das könnte sie auch interessieren

Entdecken Sie den Deutschlandfunk