Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was
Prof. Ulrich Walter ist Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut und schreibt Kolumnen für N24 Online
Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ulrich Walter Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut Herr Ulrich Walter, Jahrgang 1954, ist Ordinarius für Raumfahrttechnik an der Technischen Elite-Universität München. Nach dem Studium der Physik an der Universität Köln, an den Argonne National Laboratories in Chicago und an der University of California in Berkeley, wurde er im Jahre 1987 ins Deutsche Astronautenteam berufen und trainierte bis zu seiner Shuttle Mission D-2, 26. April bis 6. Mai 1993, am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, in Köln-Porz und am Raumfahrtzentrum der NASA in Houston. Es folgten Stationen beim DLR und bei der IBM. Seit März 2003 leitet er den Lehrstuhl für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München und lehrt und forscht im Bereich Raumfahrttechnologie und Systemtechnik. Seine Schwerpunkte sind Echtzeit-Robotik im Weltraum, Intersatelliten-Kommu­nikations-Technologien, Technologien für planetare Erkundungen und Systemmodellierung und -optimierung. Herr Walter ist unter anderem Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats des Deutschen Museums und Präsident des Hermann-Oberth-Museums in Feucht. Er ist zudem erfolgreich als Autor und Publizist tätig. Prof. Walter wurde bundesweit zum Professor des Jahres 2008 in der Kategorie Ingenieurwissenschaften und Informatik gewählt. 
Alle Kolumnen von Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was

Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was Kann es ein Perpetuum mobile geben?

Es gibt Prinzipien in unserer Welt da lassen die Wissenschaftler einfach nicht mit sich reden. Das unmögliche Perpetuum mobile zum Beispiel. Aber warum eigentlich?

Die Anregung zu diesem Thema erhielt ich durch die Frage "Wie kann es sein, dass ein Motor ohne Treibstoff läuft?" der Leserabstimmung im Dezember 2013 und dem Kommentar des Lesers Pappnase2 am 17.12.13: "Die FAZ hat vor einigen Tagen [12.11.2013] eine Erfindung von Thomas Engel unter der Rubrik Technik vorgestellt. Demnach hat der Erfinder eine neue Art Motor entwickelt, der aus ungeklärten Gründen 'ohne Treibstoff läuft und läuft und läuft' ( =Titel des Artikels). Leider blieb der Einfachtest 'Leistungs-Output minus Input = positiv' ungetätigt und der Leser ratlos. Dies zu klären wäre sehr verdienstvoll."

Versuchen wir also eine Klärung. Was die Medien in vielen Artikeln, wie dem über den "Quantenmotors" von Thomas Engel, den Physikern immer wieder vorwerfen ist doch: Wie können die nur so stur sein und selbst dann ein Perpetuum mobile anzweifeln, wenn es in Form eines realen Motors vor ihnen steht, der läuft und läuft und läuft? Die Antwort der Physiker: Ein Perpetuum mobile wäre, wenn es das gäbe, eine Vorrichtung, die aus dem Nichts Arbeit verrichten würde. Da Arbeit physikalisch eine Form der Energie ist, bedeutet dies, das ein Perpetuum mobile einfach so Energie erzeugen kann. Da dies aber, wie wir gleich sehen werden, gegen grundlegende Eigenschaften unseres Universums verstößt, muss der Motor irgendwo eine externe Energiequelle haben, weswegen er ein ganz normaler Motor ist.

Jetzt gehen wir ins Detail. Es gibt da zwei grundlegend verschiedene Typen von vermeintlichen Perpetua mobilia.

Das Perpetuum mobile erster Art

Das der ersten Art ist das Perpetuum mobile schlechthin: Energie aus dem Nichts, einfach so. Bereits Leonardo da Vinci unterlag dem Glauben, dass so was möglich wäre und entwickelte mehrere Geräte, die das zeigen sollten. Warum kann das nicht funktionieren? Der oft vorgeschobene Grund ist der Energieerhaltungssatz der Physik. Er besagt, dass in einem abgeschlossenen physikalischen System (das heißt da kann weder Energie noch sonst etwas rein noch raus) wie dem Perpetuum mobile Energie weder vernichtet noch erzeugt wird. Jetzt könnte man mit Recht fragen, warum das immer gelten sollte.

Tatsächlich gibt es einen tieferen Grund, warum der Energieerhaltungssatz und auch alle anderen Erhaltungssätze der klassischen Physik immer gelten müssen. Das so genannte Noether-Theorem stellt nämlich eine Beziehung zwischen den Erhaltungssätzen und grundlegenden Eigenschaften unseres Universums her: Aus der Homogenität der Zeit (Zeit läuft immer gleichmäßig) folgt die Energieerhaltung, aus der Homogenität des Raumes (Raum verhält sich an allen seinen Punkten gleich) folgt die Impulserhaltung und aus der Isotropie des Raumes (Raum verhält sich in alle Richtungen gleich) folgt die Drehimpulserhaltung. Würde also das Prinzip der Energieerhaltung nicht gelten, dann wäre die Zeit inhomogen (Wohlgemerkt die Zeit selbst. Vorgänge in der gleichmäßig verlaufenden Zeit können durch äußere Einflüsse mal langsamer mal schneller ablaufen) und wir könnten uns auf nichts mehr im Universum verlassen. Ein Uhrenpendel würde plötzlich und ohne äußeres Zutun einmal langsamer ein anderes Mal schneller schwingen. Die Erde würde auf ihrer Bahn um die Sonne plötzlich langsamer (eine bestimmte Strecke auf der Umlaufbahn in längerer Zeit) und manchmal schneller (dieselbe Strecke in kürzerer Zeit). Das führte wegen der mit der Geschwindigkeit sich ändernden Zentrifugalkraft dazu, dass sich die Erde der Sonne stark nähern und die Ozeane verdampfen würden und irgendwann später wieder schneller kreisen würde, was ihren Abstand so weit vergrößerte, dass alle Ozeane vereisen würden. Dies alle passiert zum Glück nicht. In unserer Welt geht halt alles mit rechten Dingen zu, und deswegen kann es kein Perpetuum mobile erster Art geben.

Das Perpetuum mobile zweiter Art

Das Perpetuum mobile zweiter Art ist etwas subtiler. Es basiert auf der Idee, im Raum gleichverteilte Wärmeenergie ohne Energieaufwand ungleich zu verteilen (etwa mit dem Maxwellschen Dämon) und diese Ungleichverteilung zum Antrieb von Maschinen zu nutzen, also Energie zu erzeugen. Die Atmos-Uhr oder der Trinkvogel sind interessante scheinbare Perpetua mobilia zweiter Art. Als Grund für die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile zweiter Art wird meist der Verstoß gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik genannt, dem zufolge sich die Entropie eines abgeschlossenen Systems nie verringern kann – es kann also keinen Maxwellschen Dämon geben, der nicht mehr Energie verbraucht als er durch seine Energieumverteilung erzeugen kann. Man könnte mit Recht die allgemeine Gültigkeit des zweiten Hauptsatzes anzweifeln. Aber auch hier steckt etwas Grundlegenderes dahinter. Es ist das Postulat der Physik, dass in unserer Welt letztendlich alles nicht teleologisch sondern rein zufällig passieren muss – es gibt kein höheres Wesen (keinen Maxwellschen Dämon oder göttliches Wesen), das Abläufe in unserer Welt gezielt und mit Energieaufwand steuert. Es lässt sich zeigen, dass aus diesem Postulat der zweite Hauptsatz der Thermodynamik folgt. Also auch hier folgt aus der Annahme, dass in unserer Welt alles mit rechten Dingen zugeht, dass es kein Perpetuum mobile, diesmal zweiter Art, geben kann.

Fazit: Wenn in unserer Welt alles mit rechten Dingen zugeht, dann müssen alle angeblichen Perpetua mobilia, also auch der "Quantenmotor" von Thomas Engel, letztendlich Schein Perpetua mobilia sein. Anders ausgedrückt: Scheinbare Perpetua mobilia sind in Wirklichkeit keine abgeschlossenen Systeme, sondern stehen, oft in subtiler Weise, in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung und ziehen daraus die Energie, die sie in Bewegung bringt. Um ein angebliches Perpetuum mobile zu entlarven, muss man es also nur rigoros von der Außenwelt isolieren, dann bleibt es stehen.

Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist Er nicht

Interessant wird es, wenn man sich die Grundprinzipien und somit Erhaltungssätze auf immer kleineren Skalen (Abständen) anschaut. Alles bleibt unverändert bis man im atomaren Bereich ankommt. Hier gelten keine klassischen Gesetze sondern quantenmechanische und die lassen gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation Verletzungen der Homogenität und Isotropie von Raum und Zeit zu. Diese Verletzungen wiederum bedeuten eine Verletzung der entsprechenden Erhaltungssätze, wenn auch nur in extrem geringen Maße, nämlich von der Größe des Planckschen Wirkungsquantums. Man muss sich solche Verletzungen vorstellen, wie wenn man sich ein leicht verrauschtes einfarbiges Bild anschaut. Von weitem ist es einheitlich grün, aber wenn man mit der Lupe nachschaut, sind einzelne Pigmente doch entweder gelb oder blau. Das Planksche Wirkungsquantum gibt dabei die Stärke des Rauschens an und die ist verdammt klein. Und genauso, wie sich die Farben Gelb und Blau makroskopisch zu einem Grün mitteln, genauso mitteln sich auf größeren Skalen diese zufälligen quantenmechanischen Verletzungen zu den klassischen Erhaltungssätzen heraus.

Übrigens, auch das Grundprinzip der Speziellen Relativitätstheorie, nämlich dass im Vakuum nichts schneller fliegen kann als Lichtgeschwindigkeit, wird auf Quantenebene verletzt. Beim so genannten superluminaren Tunneln können Teilchen Abstände von der Größe ihrer De-Broglie-Wellenlänge mit Überlichtgeschwindigkeit überbrücken. Selbst solch kleine Verletzungen ziehen aber ein großes Problem nach sich: Sie verletzen laut Spezieller Relativitätstheorie in unserer Welt Ursache und Wirkung, also die Kausalität. Die Schwiegermutter wäre schon tot, noch bevor der Schwiegersohn den Abzug betätigt (wie praktisch!), oder das Licht geht an, bevor ich den Schalter betätige. Logisch gesehen würden also selbst kleinste Verletzungen irrwitzige Folgen haben.

Daher wurde die Nachricht von CERN-Physikern im Jahre 2011, Neutrinos könnten schneller als Licht fliegen, von den meisten Physikern bezweifelt, was sich später auch als richtig herausstellte. Es konnte aber gezeigt werden (siehe etwa das Buch Tunneleffekt – Räume ohne Zeit), dass mit superluminarem Tunneln keine Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden können und folglich die Kausalität nicht auf den Kopf gestellt wird (Einsteins Spezielle Relativitätstheorie ist halt keine Quantentheorie und kann im mikroskopischen Bereich irren). Daher kann man in Worten des Philosophen David Humes die Kausalität mit Fug und Recht als Zement unseres Universums bezeichnen, die wirklich niemals verletzt wird.

Angesichts solch physikalischer Raffinessen in unserer Welt kann man Einsteins Worten: "Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist Er nicht", nur schmunzelnd zustimmen.

Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Artikel kommentieren

Bitte loggen Sie sich ein, um Kommentare zu schreiben.

Login

Artikel als "Nickname" kommentieren:

Noch 800 Zeichen

Leserkommentare ()
Weitere Kommentare anzeigen ()