Wir sind uns doch wohl alle einig, dass es sinnvoll ist CO2-Emissionen und Atommüll zu vermeiden. In der folgenden Idee stehen die Erhaltungssätze und die Stereochemie in einem augenscheinlichen Konflikt zum 2. HS der Thermodynamik (so wie er meist verstanden wird). Warum macht denn keiner das Experiment um auszuloten, wo die Grenzen des 2. HS liegen - und vor allem um der Menschheit eine neue, erneuerbare Energiequelle zu ermöglichen?
Betrachten wir zunächst ein makroskopisches Experiment das im 2d- und 3d-Raum das selbe Resultat liefert. Ein Zahnrad wird auf eine Zahnstange (Masse gegen unendlich) geschossen unter einem beliebigen Winkel ≠ 90 ° (Skizze 1).
Das Zahnrad soll vor der Reflexion keinen Drehimpuls haben. Nach der Reflexion hat das Zahnrad aber einen Drehimpuls. Bezogen auf das System des Zahnrads hat dieses der Zahnstange einen gleich großen, entgegen gerichteten Drehimpuls gegeben. Die Summe der Drehimpulse ist noch immer null. Es gilt der Drehimpulserhaltungssatz.
Bezogen auf das System der Zahnstange hat diese vom Zahnrad einen (Translations)Impuls erhalten und hierbei die parallel zu seiner Ausbreitung gerichtete Impulskomponente des Zahnrads verringert. Es gilt der Impulserhaltungssatz.
Da das Zahnrad durch die Reflexion Rotationsenergie erhalten hat, aber entsprechend Translationsenergie verloren hat, gilt auch der (mechanische) Energieerhaltungssatz.
Nun betrachten wir eine (idealisierte) Reflexion im 2d-Raum unter Abwesenheit einer Spiegelebene (Skizzen 2 bis 4).
Die chiralen Gasmoleküle (Skizze 2 und 3, rote Windmühlenblätter) bewegen sich auf die chiral strukturierte Oberfläche eines Festkörpers und werden reflektiert. In guter Näherung haben alle reflektierten Gasmoleküle einen Drehimpuls im Uhrzeigersinn.
Da die Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Drehimpuls gelten, erhält der Festkörper einen Impuls nach rechts und die Gasmoleküle als Ensemble einen Impuls nach links. Der Drehimpuls der Gasmoleküle wird regeneriert durch Stöße untereinander oder mit einem Festkörper.
Der Drehimpulserhaltungssatz gilt für das System eines einzelnen Gasmoleküls, weil dieses bei der Reflexion dem Festkörper einen Drehimpuls vermittelt. Der Impulserhaltungssatz gilt für das System des Festkörpers, weil dieser bei der Reflexion dem Gas als Ensemble einen (Netto)Impuls vermittelt, der parallel zur räumlichen Ausdehnung des Festkörpers gerichtet ist.
Nun übertragen wir diese Erkenntnisse in den 3d-Raum. Jedes chirale Gasmolekül hat bei RT mindestens 6 Freiheitsgrade (3 für die Translation, 3 für die Rotation und 9 oder mehr für Schwingungen). Der Gleichverteilungssatz fordert, dass bei Raumtemperatur jeder dieser Freiheitsgrade gleich viel Energie enthält, nämlich 0,5kT. Durch die Reflexion werden Translations- und Rotationsenergie und Impuls und Drehimpuls in einander überführt, die Karten werden sozusagen neu gemischt. Dazu kommt, dass ein Gasmolekül mit seinem Impuls und seinem Drehimpuls zwei Impulskomponenten auf den Festkörper ausübt, eine die senkrecht auf dessen Ausbreitungsebene steht, sowie eine Impulskomponente die parallel zu dessen Ausbreitungsebene steht (durch die Erhebungen und Vertiefungen des Festkörpers).
Über allem stehen die Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Drehimpuls für das Gesamtsystem aus Gas und Festkörper. Aber gilt nach der Reflexion auch noch der Gleichverteilungssatz? Ich denke, er gilt hier nicht mehr. Aus der klassischen Physik sind bereits einige Probleme bekannt in denen er nicht gilt (Rayleigh-Jeans Gesetz, Abweichung der Wärmekapazität von Festkörpern vom Dulong-Petit Gesetz).
Aus der Stereochemie ist bekannt, dass man ausgehend von chiralen Edukten IMMER einen Enantiomerenüberschuss im Fall eines chiralen Produkts erhält. Analog sollte auch die Reflexion eines chiralen Moleküls von der chiral strukturierten Oberfläche eines Festkörpers IMMER chiral erfolgen! Das heißt dass das chirale Gas auf die homomorph orientierte, chiral strukturierte Oberfläche eine Festkörpers einen irregulären Druck ausübt; einen anderen Druck als auf eine achirale Oberfläche. Wenn der Festkörper drehbar gelagert ist, kann er Rotationsenergie und Drehimpuls der Gasmoleküle aufnehmen und dann selbst besitzen. Seine Rotation ist dann eine makroskopische Wärmebewegung, analog wie die Supraleitung einen makroskopischen Quantenzustand darstellt. Wird diese makroskopische Wärmebewegung gebremst, lässt sich damit z.B. ein Gewicht heben, wobei das System abkühlt und von der Umgebung erhitzt wird. Das Phänomen des irregulären Drucks stellt ein Perpetuum mobile 2. Art dar.
Natürlich kann man einen Denkfehler nie ausschließen. Aber dann könnte es interessant sein, wo genau der Denkfehler liegt. Auf der anderen Seite könnte sich bei genauer Betrachtung herausstellen, dass die absolute Abwesenheit eines Symmetrieelements keine notwendige Voraussetzung ist. Vielleicht kann schon ein Gas wie Diacetylen, HC≡C-C≡CH , in Wechselwirkung mit homoform orientierten isotaktischem Polyacrylnitril, (-CH2-CH-CN)n, einen irregulären Druck erzeugen.
Praktische Teil
Der apparative Aufwand für ein erstes Experiment ist jetzt nicht so gering, dass man es im heimischen Keller machen könnte, aber ich meine wenn ein Experimentalphysiker und Chemiker hier zusammen arbeiten, sollte das erste Experiment kein Problem darstellen.
Jedes chirale Gas mit einem Enantiomerenüberschuss erscheint mir geeignet, z.B. R-1-Chlor-1-fluorethan, oder S-Propylenoxid.
Das folgende Verfahren erscheint mir geeignet zur Herstellung einer homomorph orientierten chiralen Oberfläche. Man geht von einer Aminosäure aus mit einem isoelektrischen Punkt in der Nähe von 7, z.B. L-Prolin oder L-Histidin. Die Aminosäure wird in H2O gelöst.
Die Lösung wird auf der Oberfläche eines Polymers abgelagert, das zur Ausbildung von H-Brückenbindungen geeignet ist, z.B. Polypropylenglycol oder Polybutylenterephthalat. Die Oberfläche des Polymers wird waagerecht ausgerichtet.
Es wird ein elektrostatisches Feld angelegt das ebenfalls waagerecht ausgerichtet ist. Die Lösung wird verdunstet.
Die Aminosäuremoleküle sollten in einer Konzentration vorgelegt werden, dass sie nach dem Verdunstungsprozess die Oberfläche des Polymers zu ca. 20% belegen. Sie sollten wegen der H-Brücken und Adsorptionskräfte an der Oberfläche stabil liegen
Der so behandelte Polymerfilm enthält nun EINE Oberflächenseite mit der geforderten Strukturierung seiner Oberfläche und eine normal strukturierte Oberfläche. Der Polymerfilm wird in einen Exsikkator gehängt und dieser mit dem chiralen Gas gefüllt. Der Polymerfilm sollte nun der Idee nach ständig eine Bewegung ausüben.
Leider kann ich noch keine Bilder/Skizzen einfügen.
