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Maxwells Dämon kann Energie aus dem Gedächtnis einer Flüssigkeit gewinnen
Das Gedächtnis einer Flüssigkeit kann helfen, aus mikroskopischen Bewegungen zusätzliche mechanische Arbeit zu gewinnen. In einem Experiment haben Physiker dazu die Position einer winzigen Kugel zweimal gemessen und anschließend eine Laserfalle gezielt verschoben. Bei einer bestimmten Messfolge lag die Ausbeute bis zum Dreifachen der Vergleichsgrenze für ein System ohne Umgebungsgedächtnis.
Konstanz (Deutschland). In der Wärmebewegung winziger Teilchen steckt Energie, die sich unter bestimmten Bedingungen in mechanische Arbeit umwandeln lässt. Entscheidend ist dabei, dass eine Steuerung Informationen über den Zustand des Teilchens besitzt und ihre Eingriffe daran anpasst. Solche Informationsmotoren benötigen im Prinzip keinen Temperaturunterschied, müssen bei einer vollständigen Energiebilanz aber auch die Kosten der Informationsverarbeitung berücksichtigen.
Die meisten bisher untersuchten Informationsmotoren beruhen auf einer vereinfachten Annahme. Ihre Umgebung besitzt kein Gedächtnis, sodass sich die weitere Bewegung allein aus dem gegenwärtigen Zustand beschreiben lässt. Komplexe Flüssigkeiten verhalten sich anders, weil ihre innere Struktur auf frühere Bewegungen reagiert und die Vergangenheit dadurch noch eine Weile nachwirkt.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) um Dr. Sarah A. M. Loos haben nun in einer experimentellen und theoretischen Studie untersucht, ob sich dieses verborgene Gedächtnis für die Gewinnung mechanischer Arbeit nutzen lässt. Die Grundlage ist das Prinzip des Maxwellschen Dämons, eines Gedankenexperiments, das die Verbindung zwischen Information und Thermodynamik verdeutlicht.
„Heutzutage weisen wir der Information selbst einen thermodynamischen Wert zu und lösen damit dieses scheinbare Paradoxon“, erklärt Dr. Sarah A. M. Loos.
Für den Versuch verwendete das Team eine 2,7 Mikrometer große Kugel aus Siliziumdioxid, die ein fokussierter Laserstrahl in einer optischen Falle festhielt. Das Teilchen schwamm nicht in gewöhnlichem Wasser, sondern in einer viskoelastischen Lösung mit einem Netzwerk aus fadenartigen Mizellen. Dessen Struktur verändert sich durch die Bewegung der Kugel und entspannt sich erst allmählich wieder.
Die Forscher konnten die Position der Kugel präzise verfolgen, nicht aber die inneren Bewegungen des Netzwerks direkt beobachten. Dieses unsichtbare Zusammenspiel speichert Informationen über den früheren Verlauf und kann später Kräfte auf die Kugel ausüben. Die charakteristische Entspannungszeit der untersuchten Flüssigkeit lag bei ungefähr sechs Sekunden.
Um dennoch Hinweise auf den verborgenen Zustand der Flüssigkeit zu erhalten, bestimmten die Wissenschaftler die Teilchenposition zweimal in einem einstellbaren zeitlichen Abstand. Bei jeder Messung genügte die einfache Information, auf welcher Seite eines festgelegten Schwellenwerts sich die Kugel befand. Aus den beiden Ergebnissen ließ sich ihre Bewegungsgeschichte zumindest teilweise erschließen.
„Wir haben das Teilchen zweimal gemessen, mit einer definierten zeitlichen Verzögerung dazwischen“, erklärt Prof. Clemens Bechinger von der Universität Konstanz.
Der Abstand zwischen den Messungen erwies sich als entscheidend. Bei einem Intervall von etwa einer Sekunde waren die Gedächtniseffekte besonders gut nutzbar. Unmittelbar aufeinanderfolgende Messungen verrieten dagegen zu wenig über die verzögerte Reaktion des Netzwerks. Nach einer sehr langen Wartezeit von 200 Sekunden hatte die Flüssigkeit die früheren Bewegungen praktisch vergessen.