Heizende Laserstrahlen treiben mikroskopisch kleinen Motor an.

Mikromotor

Stuttgart - Ohne Verbrennungsmotoren, die aus Treibstoffen Bewegung erzeugen, käme unser tägliches Leben schnell zum Stillstand. Um diese in Schiffen und Autos bewährten Antriebe in Zukunft auch in winzige Mikromaschinen einbauen zu können, konstruierten Wissenschaftler in Stuttgart die nach ihrer Aussage kleinste Dampfmaschine der Welt. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature Physics" berichten, misst dieser mit der Hitze von Laserstrahlen betriebene, sogenannte Stirling-Motor nur noch wenige Millionstel Meter.

"Wir haben die kleinste Dampfmaschine, genauer gesagt den kleinsten Stirling-Motor der Welt entwickelt und festgestellt, dass die Maschine tatsächlich Arbeit verrichtet", sagt Clemens Bechinger, der sowohl an der Universität Stuttgart als auch am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme forscht. Gemeinsam mit seinem Kollegen Valentin Blickle schrumpfte er die wesentlichen Teile eines Stirling-Motors so sehr, dass sie mit bloßem Auge kaum noch zu erkennen waren.

Anstelle eines energiehaltigen Gases griffen die Forscher zu einer knapp drei millionstel Meter kleinen Kunststoffkugel, das sie in einer winzigen mit Wasser gefüllten Kammer schweben ließen. Analog zu dem sich periodisch hebenden und senkenden Kolben in einem Zylinder bewegten sie diese Kugel mit einem Laserstrahl, dessen Intensität ebenfalls periodisch schwankte. Um diesen Motor nun über einen kompletten Zyklus auch messbare Arbeit verrichten zu lassen, heizten sie Wasser und Kugel mit einem zweiten Laserstrahl im Infrarot-Bereich auf. "Das erlaubte uns, die Suspension von Raumtemperatur auf 90 Grad in weniger als zehn Millisekunden aufzuheizen", erklären die Forscher. Ohne diesen Laserstrahl kühlte sich das System wieder schlagartig ab.

Durch das geschickte Zusammenspiel der beiden Laserstrahlen konnte die Kunststoff-Kugel sich mehr oder weniger leicht bewegen. Das entsprach den Kompressions- und Expansionsphasen in einem Verbrennungsmotor und darüber könnte die Kugel messbare Arbeit am optischen Laserfeld leisten. In seiner Effizienz unterschied sich dieser "Laser-Motor" dabei kaum von seinem großen Dampfmaschinen-Vorbild.

Da sich die geleistete Arbeit des Motors bisher nur in Messungen des schwankenden Laserfelds offenbarte, verfügen die Forscher noch über keinen in Mikromaschinen nutzbaren Motor. Doch ermuntern diese Versuche, solche winzigen, mit Lasern betriebenen Stirling-Motoren weiter zu entwickeln, damit auch diese Hürde bald überwunden werden kann. Dabei sind die Bechinger und Blickle nicht die einzigen Experten auf diesem Gebiet. Denn vor etwa einem Jahr konstruierten bereits niederländische Forscher einen mikroskopisch kleinen Motor, der über Schwingungen eines Einkristalls ebenfalls mechanische Arbeit leisten konnte.