Lichtmühle

Angeregt durch die Mail eines Freundes bin ich wieder einmal mit der Physik der Lichmühle und deren diversen Erklärungsversuche konfrontiert worden.

Kaum etwas ist von den Erklärungen sagenumwobener und für viele Leute zum Physik-Philosophieren anregender als die Lichtmühle (nur das Perpetuum Mobile und Schwarze Löcher können das trumpfen). Sollte es tatsächlich noch jemanden geben, der eine Lichtmühle noch nie in Aktion gesehen hat, hier gibt es auch ein Video dazu.

Im Prinzip besteht die Lichtmühle aus meistens vier dünnen Metallfolien, die wie bei einer Windmühle an einer gemeinsamen Achse montiert sind. Das ganze ist dann noch drehbar gelagert und aufgrund des geringen Gewichts der Folien und um Störungen durch leichte Luftzüge zu vermeiden, befindet sich die Mühle in einem leicht evakuierten Glaskolben. Jede Folie ist auf einer Seite reflektierend und auf der anderen Seite mit Ruß oder Farbe geschwärzt. Lässt man nun Sonnenlicht, Licht einer Glühbirne oder Kerze oder sogar einfach nur die Infrarotstrahlung einer Hand auf die Mühle fallen, so beginnen sich die Blättchen in eine bestimmte Richtung zu drehen. Der Drehsinn ist so, als ob die schwarze Seite der Blättchen die Mühle antreibt.

Und genau das ist die Erklärung dafür. Man braucht keine quantenmechanischen Überlegungen um dieses Phänomen zu erklären, einfache Thermodynamik reicht dafür auch schon. Die schwarze Seite erwärmt sich stärker als die reflektierende Seite, jeder, der im Sommer mit einem schwarzen T-Shirt unterwegs ist, kennt das. Dadurch heizen sich die wenigen Moleküle, die im Glaskolben noch vorhanden sind, auf dieser Seite stärker auf, haben eine höhere kinetische Energie als auf der reflektierenden Seite, stoßen gegen das Blättchen und übertragen einen höheren Impuls wegen der höheren Geschwindigkeit. Das Ungleichgewicht der Temperatur bewirkt also das Drehen der Mühle.

Am schlimmsten ist wohl die Erklärung des Effekts durch den Strahlungsdruck. Jedes Photon das von der schwarzen Fläche absorbiert wird überträgt seinen gesamten Impuls darauf. Wird das Photon aber reflektiert, so wird auf das Blättchen der doppelte Impuls übertragen und die Mühle würde sich in die andere Richtung drehen. Diese Theorie versagt also bereits beim Versuch, den Effekt zu erklären.

Ein Experiment, das die thermodynamische Erklärung bestätigt, ist, dass wenn man den Glaskolben noch stärker evakuiert, also ein Ultrahochvakuum erzeugt, dann bewegt sich die Mühle gar nicht mehr, weil zu wenige Moleküle in der Umgebung vorhanden sind, um die Mühle anzutreiben. Der Strahlungsdruck hängt natürlich nicht von der Güte des Vakuums ab, also 2:0 für die Thermodynamik.

Soviel zum Thema Lichtmühle, mit diesem Eintrag erkläre ich das Thema für abgeschlossen und möchte auch keine wirren Kommentare dazu lesen.

Doch um den Eintrag mit einem Zitat von den Simpsons zu beenden: “Lisa, in diesem Haus gehorchen wir den Gesetzen der Thermodynamik!”


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