Seit dem Aufkommen der Idee, dass an Beschleunigern wie dem LHC sowie in Reaktionen der kosmischen Höhenstrahlung kleine schwarze Löcher erzeugt werden könnten, besteht die ungelöste Frage, wie diese schwarzen Löcher wieder zerfallen (siehe wdp-Artikel "Schwarze Löcher von Menschenhand gemacht" und "Schwarze Löcher am LHC?"). Ohne eine - bisher unbekannte - vollständige Theorie der Quantengravitation, also eine Synthese der Quantentheorie und der Relativitätstheorie, ist es bis heute schwierig, die Endphase eines schwarzen Loches exakt zu beschreiben. Verschiedene Berechnungen deuten jedoch auf die Möglichkeit hin, dass das schwarze Loch nicht vollständig zerstrahlt, sondern einen stabilen, kalten Endzustand in Form eines neuartigen Elementarteilchens der Quantengravitation bildet, ein so genanntes Relikt oder Remanent (nach dem lateinischen Wort für "zurückbleiben").

Simulation einer Teilchenkollision im ALICE-Detektor

Bildbeschreibung:

Simulation einer Proton-Proton-Kollision im ALICE-Detektor am LHC-Beschleuniger bei CERN in Genf. Die Teilchen, die bei der Kollision erzeugt werden, hinterlassen Spuren in der großen time projection chamber von ALICE und können den Physikern verraten, ob sie aus dem Zerfall eines schwarzen Lochs stammen.

Sollten diese Remanenten kleiner schwarzer Löcher wirklich existieren, erlaubten sie das Studium der Quantengravitation anhand verschiedenster Experimente. So zeigen Rechnungen, dass sie mit einer Wahrscheinlichkeit von 2/3 elektrisch geladen sein sollten und daher auch in Speicherringen umlaufen könnten. Falls es am LHC tatsächlich zur Produktion von Remanenten mikroskopischer schwarzer Löcher kommen sollte, könnten diese fremdartigen Objekte nicht nur für die Elementarteilchenphysiker von Interesse sein, sondern auch unser tägliches Leben verändern.

Energiegewinnung mit kleinen schwarzen Löchern?

Theoretisch ergibt sich nämlich die Möglichkeit, die Remanenten der schwarzen Löcher auf äußerst effiziente Art und Weise zur Energiegewinnung zu nutzen. Nach Einsteins berühmter Formel E=mc² ist es mit einem derartigen, im Speicherring umlaufenden Remanenten möglich, Masse in Strahlungsenergie umzuwandeln: Trifft ein Remanent auf Protonen- oder Neutronenmaterial, würde diese eingefangene Materie sehr rasch in Hawking-Strahlung umgewandelt.

Das heißt, das stabile Remanent verwandelt sich nach Aufnahme z.B. eines Protons wieder in ein instabiles schwarzes Loch, dieses aber emittiert die Anregungsenergie rasch wieder in Form von Hawking-Strahlung. Damit ginge das kleine schwarze Loch umgehend wieder in den stabilen Remanentzustand über - es agiert also wie ein Katalysator in einer chemischen Reaktion - und ist damit nun wieder bereit, das nächste Proton in Photonenstrahlung umzuwandeln.

Dieser Verdampfungsprozess würde mit einer ca. 90-prozentigen Effizienz ablaufen, da nur die produzierten Gravitonen und Neutrinos nicht in nutzbare Energie überführt werden könnten. Leider ist die Zahl der unter optimistischsten Annahmen zu erwartenden stabilen Remanenten von schwarzen Löchern am LHC sowie auch deren Reaktionsquerschnitt verschwindend gering - rechnerisch könnte sonst nämlich der gesamte jährliche Energieverbrauch der Erdbevölkerung (ca. 10²¹ Joule) mit nur 10 Tonnen normaler Materie, wie Wasser, Sand, etc., in solchen Proton-zu-Photon-Konvertern erzeugt werden.

Winzige schwarze Löcher zur Energiegewinnung zu nutzen, klingt somit heute noch nach Sciencefiction. Da es sich dabei jedoch um eine durchaus ernst zu nehmende Möglichkeit handelt, hat einer der Autoren, Horst Stöcker, die Idee sicherheitshalber zum Patent angemeldet.

Literatur

[1] Renormalization group improved black hole space-times, A. Bonanno, M. Reuter, Phys. Rev. D62, 043008 (2000)
Black hole remnants at the LHC, B. Koch, M. Bleicher, S. Hossenfelder, JHEP 0510, 053 (2005)
TeV-scale black hole lifetimes in extra-dimensional Lovelock gravity, T. Rizzo, Class. Quant. Grav. 23, 4263 (2006)

[2] Trapping black hole remnants, S. Hossenfelder, B. Koch, M. Bleicher, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0507140

[3] Mini black holes in the first year of the LHC, H. Stöcker, J. Phys. G32, S429 (2006) (und Referenzen darin)