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Kuriose Physik: Energiegewinnung mittels Schwarzen Loches

Schottische Physiker erzeugen einen speziellen Fall des Rotationsdopplereffekts. Damit beweisen sie eine rund 50 Jahre alte Idee des Physikers Roger Penrose.
Künstlerische Darstellung eines sich drehenden Schwarzen LochsLaden...

Vor rund 50 Jahren spekulierte der britische Physiker Roger Penrose, wie ein sich drehendes Schwarzes Loch theoretisch zur Energiegewinnung genutzt werden könnte. Vereinfacht ausgedrückt müsste ein Objekt in die äußere Schicht eines Schwarzen Lochs befördert werden, wo es negative Energiewerte annimmt. Wird es nun in zwei Teile aufgeteilt, fällt die eine Hälfte in das Schwarze Loch, während die andere zurückgestoßen wird. Bei der Rückstoßaktion würde die zurückfliegende Hälfte Energie aus der Rotation des Schwarzen Lochs gewinnen. Zu einer solchen technischen Leistung wäre aber nur eine äußerst fortgeschrittene, vielleicht außerirdische Zivilisation fähig, soll Penrose angeblich gesagt haben. Immerhin konnten nun Physiker von der School of Physics and Astronomy der University of Glasgow in einem Laborexperiment nachweisen, dass es diesen Effekt offenbar tatsächlich gibt, wie sie in der Fachzeitschrift »Nature Physics« berichten.

Dazu erzeugte das Team verdrehte Schallwellen, die auf einen schnell rotierenden Zylinder trafen und durch den so genannten Rotationsdopplereffekt an Energie gewannen. Das klingt zunächst völlig anders als die Idee von Penrose, der Mechanismus basiert jedoch vom Prinzip her auf der von Penrose vorgeschlagenen Funktionsweise. Dass dem so sein muss, ersann ein weiterer Physiker bereits kurz nachdem Penrose die Energiegewinnungsthese mittels eines Schwarzen Lochs präsentiert hatte. Yakov Zel'dovich schlug im Jahr 1961 vor, dass man die Hypothese von Penrose auf der Erde testen könne. Dazu müssten verdrehte Lichtwellen auf einen ausreichend schnell rotierenden Zylinder treffen. In diesem Fall würde der Rotationsdopplereffekt dazu führen, dass die Lichtwellen von einer positiven in eine negative Frequenz wechseln und bei diesem Übergang dem Zylinder etwas Energie wegnehmen würden. Damit wären die reflektierten Lichtwellen energiereicher als die einfallenden. Dies würde vom Prinzip her den Vorgang repräsentieren, den Penrose vorgeschlagen hatte.

Energiegewinnung durch Rotationsdopplereffekt

Allerdings blieb die Idee von Zel'dovich ausschließlich im Bereich der Theorie. Denn damit das Experiment funktionierte, hätte sich der Metallzylinder mindestens eine Milliarde Mal pro Sekunde drehen müssen. Ein Ding der Unmöglichkeit. Die Physiker aus Schottland kamen daher auf die Idee, für das Experiment nicht Lichtwellen, sondern Schallwellen zu verwenden. Diese haben eine deutlich kleinere Frequenz, weshalb in diesem Fall eine erheblich langsamere Drehung ausreicht, um einen Rotationsdopplereffekt vom Übergang von positiven zu negativen Frequenzen zu beobachten. Mit einem Ring aus vielen einzelnen Lautsprechern produzierten sie zunächst verdrehte Schallwellen, die der von Zel'dovich vorgeschlagenen Verdrehung der Lichtwellen entsprachen. Die Schallwellen liefen dann durch eine rotierende, Schall absorbierende Schaumstoffscheibe hindurch und wurden dahinter mit Mikrofonen aufgezeichnet. Drehte sich die Scheibe schnell genug, wechselte die Frequenz von positiven zu negativen Werten. Und bei noch schnellerer Drehung konnten die Wissenschaftler letztlich einen Ton aufzeichnen, der um 30 Prozent lauter war als der ursprüngliche Ton, der aus den Lautsprechern kam. Die Schallwellen hatten Energie aus der Drehung mitgenommen – ähnlich der eingangs erwähnten Idee von Penrose.

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