Energie aus Schwarzen Löchern: Forscher bilden den Effekt nach

Wie lässt sich einem rotierenden Schwarzen Loch Energie entziehen? Seit mehr als 50 Jahren beschäftigt sich die Wissenschaft mit dieser Frage. Der britische Physiker Roger Penrose beschrieb einen möglichen Mechanismus, Jakow Seldowitsch übertrug ihn später auf Wellen. Im Labor ließ sich der Effekt bislang kaum nachweisen. Dafür wären Rotationsgeschwindigkeiten nötig, die mechanische Geräte nicht erreichen.

Nun hat ein Forschungsteam der City University of New York (CUNY) einen Ausweg gefunden. Ein Ring aus elektronischen Resonatoren blieb vollständig unbewegt, ließ elektromagnetische Wellen aber eine extreme Rotation erleben. Passende Wellen nahmen Energie aus dem System auf und wurden verstärkt.

Interessant ist dabei nicht nur die Schwarze-Loch-Physik: Das Verfahren könnte eines Tages helfen, Funk- und Lichtsignale gezielter auszuwählen, zu trennen und zu verstärken. Noch handelt es sich allerdings um einen Laborversuch, nicht um eine fertige Technik.

In der Ergosphäre könnte Energie entkommen

Penroses Idee spielt in der Ergosphäre, einem Bereich außerhalb des Ereignishorizonts. Dort zieht die Rotation eines Schwarzen Lochs die umgebende Raumzeit mit. Ein Teilchen könnte sich in diesem Bereich teilen. Ein Bruchstück fällt in das Schwarze Loch, das andere entkommt mit zusätzlicher Energie.

Seldowitsch übertrug dieses Prinzip auf Wellen. Treffen sie mit der richtigen Drehrichtung auf ein sehr schnell rotierendes Objekt, können sie ihm Energie entziehen. Danach verlassen sie den Bereich mit größerer Stärke. Dieser Vorgang heißt rotationale Superradianz.

Im Experiment ersetzte das Team um Andrea Alù die reale Drehbewegung durch präzise gesteuerte Elektronik. Die Wissenschaftler bauten einen Ring aus mehreren Resonatoren. Diese Bauteile speichern und beeinflussen elektromagnetische Signale.

Resonatoren lassen ein Muster rasend schnell kreisen

Die Eigenschaften der Resonatoren, also elektronischer Bauteile zur Steuerung elektromagnetischer Signale, änderten sich in einer exakt abgestimmten Reihenfolge. Auf diese Weise wanderte ein Muster um den Ring. Die elektromagnetischen Wellen reagierten darauf, als würde sich das gesamte System drehen.

Physiker nennen diese künstlich erzeugte Bewegung Floquet-Rotation. Sie entsteht allein durch Veränderungen in Raum und Zeit. Der Aufbau benötigt weder Motoren noch rotierende Bauteile. So erreicht er effektive Geschwindigkeiten, die mit mechanischen Geräten nicht möglich wären.

Das wandernde Muster bewegte sich rechnerisch sogar schneller als Licht. Ein Verstoß gegen die Relativitätstheorie liegt darin nicht. Materie und Informationen überschritten die Lichtgeschwindigkeit nicht. Lediglich die zeitlich gesteuerte Abfolge der Veränderungen erzeugte diesen Eindruck.

„Unser Ansatz ermöglicht eine neue Form der Wechselwirkung zwischen Wellen und Materie“, sagt Projektleiter Alù. Wellen mit ausgewählten Rotationseigenschaften könnten Energie aus der künstlich erzeugten Bewegung aufnehmen. Dadurch lasse sich eine breitbandige, zugleich gezielte Verstärkung erzeugen.

Nur passende Wellen nehmen Energie auf

Die Wirkung trat nicht bei allen eingespeisten Wellen auf. Entscheidend war ihr orbitaler Drehimpuls. Vereinfacht beschreibt er, wie sich die Struktur einer Welle beim Ausbreiten um ihre eigene Achse windet.

Nur Wellen mit einem passenden Rotationsmuster konnten Energie aus dem System aufnehmen. Andere Signale wurden nicht auf dieselbe Weise verstärkt. Der Versuchsaufbau wirkte deshalb zugleich als Verstärker und als Auswahlmechanismus.

Die zusätzliche Energie entstand nicht aus dem Nichts. Sie kam aus der elektronischen Steuerung, welche die Resonatoren fortlaufend veränderte. Diese Energie ging unter den richtigen Bedingungen auf die elektromagnetischen Wellen über.

„Wellen mit den passenden Rotationseigenschaften entzogen dem System Energie und wurden verstärkt“, sagt Mitautor Hady Moussa. Nach seinen Angaben reproduzierte der Aufbau damit die grundlegende Physik des Penrose-Seldowitsch-Prozesses.

Metamaterialien steuern die Ausbreitung präzise

Für den Ring verwendete das Team speziell entwickelte Metamaterialien. Ihre Eigenschaften hängen weniger vom verwendeten Grundstoff als von ihrer künstlich geschaffenen Struktur ab. Dadurch lassen sich elektromagnetische Wellen gezielt umlenken, bremsen oder verstärken.

Im künstlich rotierenden System entstanden bestimmte Lücken in der möglichen Wellenstruktur. Innerhalb dieser Bereiche konnten sogenannte parametrische Prozesse besonders effizient Energie übertragen. Die Verstärkung ließ sich über Frequenz und Drehimpuls begrenzen.

Der Aufbau macht extreme Rotationsvorgänge unter kontrollierten Bedingungen messbar. Frühere Versuche mit mechanisch drehenden Körpern erreichten nur einen kleinen Teil der nötigen Geschwindigkeit. Mit zeitlich veränderten Materialien lässt sich dieser Bereich nun elektronisch nachbilden.

Energie aus Schwarzen Löchern inspiriert neue Verstärker

Technisch interessant ist vor allem die gezielte Auswahl bestimmter Signale. Künftige Geräte könnten Wellen mit einem festgelegten Drehimpuls verstärken und andere Signale schwächer passieren lassen. Ein solches Prinzip käme etwa für Funkverbindungen oder optische Systeme infrage.

Der aktuelle Laboraufbau arbeitet mit Radiofrequenzen. Nach Angaben des CUNY ASRC lässt sich das Konzept grundsätzlich auch auf photonische Systeme übertragen. Dort könnten zeitlich gesteuerte Materialien helfen, Licht genauer zu kontrollieren und Informationen gezielter zu verarbeiten.

Auch Anwendungen in der Quantentechnik sind denkbar. Quantensysteme reagieren empfindlich auf Verluste und Störungen. Eine selektive Verstärkung könnte bestimmte Signalzustände hervorheben, ohne alle Wellen gleichermaßen zu beeinflussen. Praktische Geräte existieren bislang jedoch nicht.

Kurz zusammengefasst:

Forscher der CUNY haben im Labor nachgebildet, wie sich Energie aus Schwarzen Löchern theoretisch gewinnen lässt.
Ein unbeweglicher Resonatorring verstärkte gezielt Wellen mit passenden Rotationseigenschaften.
Das Prinzip könnte später Funk, Optik und Quantentechnik verbessern, ist bisher aber nur im Labor erprobt.

Übrigens: Während Forscher im Labor Schwarze-Loch-Physik nachbauen, hat James Webb ein fast unsichtbares Exemplar aus dem jungen Universum gewogen – rund sechs Milliarden Sonnen schwer. Warum der ruhende Koloss seine Galaxie geprägt haben könnte, mehr dazu in unserem Artikel.