Rezirkulations-Mühlen basieren auf Wasserrädern und Pumpen oder
verwandten mechnischen Grundkonstruktionen. Obwohl diese Kapitel keine
Technikgeschichte der Wasserkraftmaschinen sein soll, könnten ein paar
Hintergrundinformationen ganz nützlich sein. Sie finden hier einige
typische Konstruktionen, die in perpetuierlichen Wassermaschinen immer wieder
verwendet wurden.
Falls Sie direkt das Thema "Rezirkulations-Mühlen" lesen wollen, ohne
sich die mechanischen und technikhistorischen Fakten zu erarbeiten, können
Sie zu diesen Abschnitten übergehen:
Im klassischen Maschinenbau werden Wasserräder dadurch charakterisiert,
daß sie eine waagerechte Achse haben. Grundsätzlich werden drei
Arten von Wasserrädern unterschieden :
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Das unterschlächtige (oder unterschlägige) Wasserrad
Dieser Typ ist der älteste. Sie waren bereits in der Antike bekannt,
wie z.B. Vitruvs Beschreibung aus den ersten vorchristlichen Jahrhundert
beweist. Wenn ein ausreichend schneller Flußlauf vorhanden ist, kann
es mit einem Wirkungsgrad von etwa 25% eingesetzt werden. Die im neunzehnten
Jahrhundert weiterentwickelten Konstruktionen, speziell die von Poncelet,
lieferten etwa 70%. Vorteilhaft an dieser Konstruktion ist ihre Einfachheit
und die Tatsache, daß kaum wasserbautechnische Arbeiten notwendig sind. |
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Das oberschlächtige (oder oberschlägige) Wasserad
Oberschlächtige Wasserräder sind seit dem vierzehnten Jahrhundert
in Gebrauch. Wenn sie gut gestaltet sind und ein hohes Gefälle zur
Verfügung steht, könen solche Räder 75% Wirkungsgrad erreichen,
gelegentlich sogar bis 80%. Im Gegensatz zum unterschlächtigen Wasserrad
benötigen Sie Baumaßnahmen für die Gestaltung des Oberwasserlaufs
und eine aufwendigere Technik. |
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Das mittelschlächtige Wasserrad
Das hier ist die neueste Machart, die im sechzehnten Jahrhundert erfunden
wurde. Sie stellt einen Kompromiss zischen den beiden oben gezeigten
Konstruktionen dar. Frühe Versionen erreichten 45% Wirkungsgrad,
während moderne bis zu 75% erreichen können. |
Das typische Konstruktionselement der Wasserturbinen ist eine senkrechte
Achse. Die ersten Räder dieser Art wurden Ende des sechzehnten Jahrhunderts
erdacht. Wegen der Form ihrer Schaufeln heißen diese frühen
Wasserturbinen auch Löffelräder. Die Entwicklung der modernen
Wasserturbuinen begann um 1820. Der französische Ingenieur Claude Bourdin
prägte um 1824 den heute noch gebräuchlichen Ausdruck
Turbine.
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Diese Art von Wasserrad mit senkrechter Achse datiert vom Ende des
sechzehnten Jahrhunderts. Das hier ist der früheste Entwurf, den ich
finden konnte; er stammt von Giovanni Branca. Doch kaum erdacht, wurde dieses
Maschinenelement schon von Jacopo Strada für den Bau einer perpetuierlichen
Wassermühle vorgeschlagen. In der Mitte des siebzehnten Jahrhunderts
nutzte Andreas Böckler diesen Entwurf erneut. |
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Moderne Turbinen, wie diese zerlegte Francisturbine (um 1880) haben einen
hohen Wirkungsgrad von 80% bis 90%. |
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In Gebirgsgegenden, in denen schnell fließendes Wasser in großen
Mengen verfügbar ist, konnten selbst einfachste Turbinen bis in das
zwanzigste Jahrhundert hinein überleben, wie z.B. diese in den
österreichischen Alpen. Ihr Wirkungsgrad ist schlecht, aber ausreichend
für die Aufgabe, Murmeln zu schleifen. |
Neben den typischen Strömungsmaschinen, also den Wasserrädern und
-Turbinen, gibt es auch Wassermotoren, die auf dem Prinzip der Kolbenmaschine
basieren. Praktisch an diesen Antriebsaggregaten ist ihre kleine Bauart,
das vergleichsweise große Drehmoment, das sich mit ihnen erzielen
läßt und ihr geräuscharmer Lauf. John Worrell Keely wußte
diese Vorteile zu schätzen.
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| Ein Dreizylinder-Wasssermotor. Samter,
Buch der Erfindungen, 1896, S. 72, Fig. 46 |
Ein Kleinmotor, der als
Nähmaschinenantrieb vorgesehen war.
Ibid. S. 75, Fig. 49 |
In der zweiten Hälfte des achztzehnten Jahrhunderts begannen systematische
Forschungsarbeiten, um den Wirkungsgrad der Wasserkraftmaschinen zu verbessern.
Die Zeit ist charakteristisch für die beginnende industrielle Revolution.
Wir sollten daran denken, daß um die gleiche Zeit James Watt seine
Untersuchungen über die Kraft des Dampfes durchführte. Die Verbesserung
der Wasserräder hatte weniger wissenschaftliche, denn handfeste
wirtschaftliche Hintergründe, da die aufblühende Industrie auf
gute Antriebsmaschinen angwiesen war. So erstaunt es denn nicht, daß
John Smeaton, der ebenfalls durch seine Verbesserungen an Dampfmaschinen
bekannt wurde, sich diesem Thema widmete. Einem seiner Berichte sind die
oben gezeigten Abbildungen entnommen.
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Kolbenpumpen sind eine römische Erfindung. Sich lassen sich bis
etwa 250v.Chr. nachweisen. Die klassischen Autoren wie Vitruv oder Heron
von Alexandria geben in ihren Schriften Beschreibungen von Kolbenpumpen. |
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Klassische Saugpumpen funktionieren nur bis zu einer Höhe von knapp
10m. In der Antike wurde dies mit dem aristotelischen horror vacui
erklärt. Es dauerte bis in die Mitte des siebzehnten Jahrhunderts, bis
Evangelista Torricelli, ein Schüler Galileo Galileis, die korrekte
Erklärung fand. |
Die Archimedische Schraube
Die archimedische Schraube ist ein sehr alter Pumpentyp. Heutige Forscher
sind der Ansicht, daß der Name berechtigt ist, lassen sich doch solche
Schrauben bis in das Jahr 250v.Chr. nachweisen. Die archimedische Schraube
hat auch heute noch vielfältige Anwendungen, auch wenn sie oft verborgen
in Maschinen arbeitet, so z.B als Schraubenkompressor oder als Extruder in
kunstoffverarbeitenden Maschinen.
Traditionell wurden und werden archimedische Schrauben für
Bewässerungszwecke verwendet. Da der Apparat kontinuierlich betrieben
werden kann, läßt er sich weniger kräftezehrend bedienen
als die intermittierend arbeitenden Kolbenpumpen. In der Antike war das Drehen
der Schraube Sklavenarbeit. Bis in die neueste Zeit werden archimedische
Schrauben im Orient wie vor zweitausend Jahren eingesetzt.
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| Querschnitt durch eine archimedische Schraube |
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Bewässerung in Ägypten um 1950 |
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Das Prinzip der archimedischen Schraube läßt sich auch zum
Gewinnen von mechanischer Energie einsetzen. Häufig wird der Einfall
Giovanni Branca zugeschrieben, der um 1629 den Vorläufer der heutigen
Reaktionsturbinen beschreibt. Tatsächlich war ihm Leonardo da Vinci
gut 140 Jahre voraus, als er dasselbe Konstruktionselement für ein
Perpetuum Mobile verwendete! |
Der hydraulische Widder wurde von Etienne Montgolfier erfunden, einem der
beiden berühmten Brüder, die die ersten erfolgreichen
Heißluftballone aufsteigen ließen.
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Der hydraulische Widder ist eine bemerkenswerte Maschine, die Wasser
höher hebt als die antreibende Wasserquelle. Das klingt paradox und
scheint auf den ersten Blick ein Schlupfloch für den Bau eines Perpetuum
Mobiles zu bieten. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik fordert dennoch
gnadenlos seinen Tribut, d.h. der Wirkungsgrad des hydraulischen Widders
ist kleiner als Eins.
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Schöpfwerke basieren auf Eimern oder Ventilballen, die entweder an
Rädern oder an Ketten bewegt werden. Schöpfwerke dieser Art werden
seit der Antike zum Bewässern von Feldern eingesetzt. Für die
Grubenentwässerung sind sie seit dem sechzehnten Jahrhundert in Gebrauch.
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| Ein Schöpfwerk von Philon von Byzanz, rekonstruiert
von F.M. Feldhaus. Haarscharf am Perpetuum Mobile vorbei. |
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Und eines von Georg Agricola. Man beachte die
Ähnlichkeit des Pumpwerkes zu der von Robert Fludd beschriebenen
Maschine. |
Gewöhnliche Wassermühlen benötigen eine gleichmäßige
Wasserversorgung. Der grundlegende Gedanke der Rezirkulations-Mühle
ist der geschlossene Wasserkreislauf. Da keine Wasserzufuhr von außen
stattfindet, werden solche Einrichtungen auch als Trockene
Wassermühlen bezeichnet. Die mit aqua morta angetriebenen
Mühlen versprachen einige Vorteile. Insbesondere hoffte man, die stetige
Wasserzufuhr zu ersparen, was in trockenen Gegenden oder während
Dürreperioden höchst nützlich wäre.
Eine allgemeine Analyse der trockenen Wassermühlen sollte zwei Hauptpunkte
berücksichtigen:
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Der Gesamtwirkungsgrad des geschlossenen Systems. Wir wissen, daß sowohl
Wasserräder als auch Pumpen einen Wirkungsgrad von 80% erreichen
können. Dies ergäbe einen Gesamtwirkungsgrad von 64%, der keinesfalls
ausreicht, um den Mechanismus in Bewegung zu halten. Die von Strada oder
Böckler entworfenen Maschinen dürften schwerlich über 10%
Wirkungsgrad erreicht haben.
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Könnte der Wirkungsgrad der mechanischen Teile auf 100% gesteigert werden,
so ist dennoch eine feste Menge Wasser (oder ein anderes Betriebsmedium)
im Umlauf. Wir wissen aus den mechanischen Grundlagen, daß in diesem
Fall zwar der Energieerhaltungssatz nicht verletzt wird, der Maschine aber
auch keine nutzbringende Leistung entnommen werden kann.
Leonardos Konzept ist seiner Zeit weit voraus. Hier findet sich das erste
Mal die Verwendung einer Archimedischen Schraube als Antriebsmittel, also
gut 140 Jahre vor Giovanni Brancas Entwurf. Leonardo hat seine
Rezirkulations-Mühle bewußt so ausgelegt, daß die Schraube
mit dem größeren Durchmesser ein großes Zahnrad antreibt.
Dieses wiederum greift in ein kleines Zahnrad ein, übersetzt demnach
die Drehzahl nach oben. Der Entwurf zielt darauf ab, eine kleine Archimedische
Schraube so rasch zu drehen, daß mehr Wasser gefördert wird, als
die große Schraube zu ihrem Betrieb benötigt. Dennoch war sich
Leonardo wohl bewußt, daß eine solche Rezirkulationsmühle
nicht funktionieren wird: "Das fallende Wasser hebt dieselbe Menge Wasser,
wenn wir das Gewicht des Aufpralles hinzurechnen..., von der Kraft der Maschine
müssen wir jedoch das abziehen, was durch die Lagerreibung verlorenging."
(Michal S. 17).
Jacopo Strada und Andreas
Böckler
Stradas Konstruktion hat ein entzückendes Detail, das die gesamte Idee
ruiniert, selbst wenn sie funktionsfähig wäre. Man beachte die
Wasserzapfstelle oberhalb des Schleifsteins! Obwohl der kontinuierliche
Kühlwasserfluß eindeutig ein Vorteil für den Betrieb ist,
entleert er langsam aber sicher den Wasservorrat, und die ganze Maschine
scheitert am benutzerfreundliichen Konzept. Abgesehen davon funktionierte
diese Maschine nicht wegen ihrer zu steil angeordneten archimedischen Schraube
und des zu kleinen Querschnittes des Schraubenganges - vom resultierenden
Wirkungsgrad des Antriebsmechanismus ganz zu schweigen. Böckler kommentiert
diese Tafel abschließend: "Nota. Bey diesem Werck muß man
ebenmässig wissen/ ob man Wasser genug haben kan oder nicht/ wie oben
bey dergleichen Inventionen Erinnerung geschehen/ welches einem jeden
Werck=Meister ferner nachzudencken anheim gestellet wird. (Theatrum machinarum
novum, zu Tafel 107)
Andreas Böckler lebte ein Jahrhundert später als Jacopo Strada.
Er ließ nach dem dreißigjährigen Krieg Stradas Entwürfe
und einige eigene aufleben, vielleicht auch, um einen Impuls zum Bau von
Mühlen zu geben, um der hungernden Bevölkerung zu helfen. Hoffen
wir, daß seine aufwendigen, doch funktionsunfähigen Entwürfe
zu keinen Enttäuschungen in der Praxis führten! Immerhin schreibt
Böckler stets sehr vorsichtig über die geplante Funktionsweise
seiner Maschinenentwürfe.
Eine Mahl=Mühl/ so das Wasser/ durch
Hülff zweyer Schnecken/ auf das Wasser=
Rad treibet
DIese Mühl hat gegen den vorigen keinen grossen
Unterschied/ kan gebraucht werden/ wo man nicht gar viel Wasser übrig/
solte man aber eine Quelle oder Bronnen zum Vortheil haben/ wäre es
desto besser.
[Es folgt eine umständliche Beschreibung der Mühle]
Nota. Bey dieser Mühl ist abermalen in acht zu nehmen/ daß man
nemlich allezeit mehr Wasser durch die beyde Schnecken I. und M. in den Kasten
A. hinauf führen solle/ als durch B. auf das Rad abfället/ muß
derowegen so wol die proportion des Wasser=Kastens A. wie auch der beyden
Schnecken wol überleget/ und zuvor betrachtet werden. |
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Der Vollständigkeit halber muß "Robert Fludds Entwurf" erwähnt
werden. Diese Rezirkulations-Mühle wird oft als erster Entwurf dieser
Art zitiert. Wenn wir bedenken, daß dieser Vorschlag angeblich um ca.
1618 entstand, können wir dem nicht folgen.
| ***image*** |
Eine der am häufigsten und bis zur Unkenntlichkeit kopierten
Zeichnungen einer Rezirkulationsmühle. In Robert Fludds Werken aus dem
Jahr 1618 fand ich keine Zeichnung dieser Mühle, wohl aber die einer
anderen, die in den Perpetuum-Mobile Konzepten III wiedergegeben ist.
Deren Funktionsfähigkeit wird von Fludd stark bezweifelt. Er nennt sie
schlicht "bejahrten Plunder". |
Dieser Mechanismus verspricht einen besonders schlechten Wirkungsgrad durch
das zentrale Getriebe mit schräg zueinander stehenden Achsen. Eine dieser
Zeichnung ähnliche Rezirkulationsmühle findet sich bei Caspar Schott.
Die Maschine wurde von Alfons Iseis um 1634 erfunden, aber von manchen
späteren Autoren dem damals schon toten Robert Fludd zugeschrieben.
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Eine Rezirkulationsmühle um 1634. Die Anordnung der
Außenverzahnung des Wasserrades und das Laternenrad passen sehr schlecht
zusammen. Sowohl Abstände als auch Winkel wurden vom Zeichner in einer
Weise dargestellt, die dafür spricht, daß er mit solchen
Konstruktionselementen wenig vertraut war. Dient die Kurbel zum Anlassen
der Maschine? |
Kugellaufmaschinen sind eine Variante der Rezirkulations-Mühlen. Der
Grundgedanke dieser Maschinen ist derselbe, doch werden statt Wasser Metallkugeln
als Betriebsmittel verwendet. Obwohl dieses Detail große Unterschiede
in der Technik der Maschinen bedingt, kann die Analyse auf gleiche Art
erfolgen.
Diese Art der Kugellaufmaschinen sollte keinesfalls mit den Kugellaufuhren
verwechselt werden, bei denen die umlaufenden Kugeln statt eines Pendels
als Zeitnormal dienen. William Congreve, der sich durch die Erfindung eines
Schwamm-Perpetuum-Mobiles hervortat, war ein geschickter Uhrmacher, der einige
solcher Werke erbaute. Im englischen Sprachraum werden solche Uhren heute
noch als Congreve Clock bezeichnet.
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Ulrich von Granach beschrieb eine Rezirkulations-Mühle, die statt
Wasser als Betriebsmittel, die Wucht schwerer Kanonenkugeln nutzt. Auch wenn
es anerkennenswert ist, Kriegsmaterial für einen zivilen Zweck zu nutzen,
kann diese Konstruktion nicht funktionieren.
Diese Maschine enthält ein sehr interessantes Detail. Es ist das zentrale
Getriebe E, das ein Schneckengetriebe mit schräg zueinander
verlaufenden Achsen ist. Zu Granachs Zeit waren Schneckengetriebe kein
übliches Konstruktionsmerkmal. Umso beachtenswerter ist die schräg
verzahnte Getriebanordnung. Selbst heute werden solche Achsanordnungen vermieden,
da die Getriebe schwierig herzustellen sind und beim Betrieb leicht
verschleißen. |
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Perpetua Mobila, deren Funktion auf umlaufenden Kugeln basiert, lassen
sich leicht ad absurdum führen. Da jede der Kugeln auf einem geschlossenen
Pfad läuft, kann sie keine nutzbrigende Energie erzeugen. In diesem
Fall sind Reibungsverluste des Mechanismus und innere Reibung in den beteiligten
Maschinenelementen einschließlich der Kugeln die einfachste und korrekte
Erklärung. |
Der Saugheber, gelegentlich auch
Siphon1 genannt, bot ebenfalls
Material zum Entwurf perpetuierlicher Wasserkraftmaschinen. Der horror
vacui war eine bequeme Erklärung für die Funktionsweise des
Saughebers. Es wurde mehr als ein kühnes Projekt erdacht, das den
Wassertransport über Bergketten mittels Saughebern zum Ziel hatte.
Bergleute, die mit der Praxis vertraut waren, wußten sehr genau, daß
der horror vacui seine Grenzen hatte. Erfahrungsgemäß konnte
mit Saugpumpen das Wasser nur bis knapp zehn Meter Höhenunterschied
aus der Grube gehoben werden. Für größere Höhenunterschiede
mußten andere Verfahren benutzt werden, oder mehrere, in der Höhe
gestaffelte Pumpen. Georg Agricola gibt in seinem berühmten Buch De
re metallica den Hinweis, daß solche Pumpen nicht höher als 28
Fuß, also etwa 8m sein sollen. Nichts sprach dafür, daß
dies bei Saughebern anders sein sollte.
Ein Pumpwerk für größere Tiefen nach Georg
Agricola
Auch Galileo Galilei, einst zu einem ratlosen Brunnenbauer gerufen, mußte
eingestehen, daß die Abscheu der Natur vor dem Vakuum doch nicht so
gewaltig war, wie angenommen. Dennoch blieb er ein Anhänger des
aristotelischen Konzeptes des horror vacui. Erst sein Schüler
Evangelista Torricelli (15.10.1608-25.10.1647) fand mit dem äußeren
Luftdruck die korrekte Erklärung des seltsamen Verhaltens der Pumpwerke.
| Zwei Siphon-Maschinen von Francesco di Georgio
Martini |
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| Dieser Entwurf ist mit Einschränkungen
funktionsfähig |
Dieser hier stellt ein Siphon-PM dar |
Bemerkenswert ist, daß die frühen Erfinder dieser Konzepte sich
auf antike Autoritäten berufen. Doch manchmal lasen sie wohl nicht zu
genau oder vertrauten ihren Altvorderen nicht, wo es angebracht gewesen
wäre. Aristoteles schreibt in seinen physikalischen Werken, daß
sich Wasser seinen Pegel selbst sucht. Heron von Alexandria hebt in seiner
Pneumatica hervor, daß die Funktion des Saughebers darauf beruht,
daß die Ablauföffnung tiefer liegen muß als der Pegel an
Einlaß und daß die Rohrquerschnitte ohne Einfluß sind.
Implosion ist ein beliebtes Wort bei den Verfechtern der "Freien
Energie". Gerne kehrt man in den aristotelischen Zustand des horror
vacui zurück, denn es ist bequem, nicht denken zu müssen, wie
sich der Luftdruck verhält. Die anschauliche, unmittelbar erfahrbare
Tatsache des Ansaugens einer Flüssigkeit durch Unterdruck scheint
plausible Erklärung genug. "Wenn Dir die Begriffe fehlen, stellt ein
Wort zur rechten Zeit sich ein" - so der Mephisto in Goethes
Faust.
Was die Implosionsfans übersehen, ist die Tatsache, daß sie rein
rechnerisch die Physik der Hydrostatik und -dynamik auf den Kopf stellen
könnten, doch dann sollten sich die dazu nötigen Formeln bitte
den Tatsachen fügen und nicht Energie aus dem Nichts erfinden. Bislang
habe ich allerdings noch keine stichhaltigen Formeln zu einer Implosionstheorie
gesehen. Die Implosion findet ihre banale Grenze spätestens dann, wenn
etwas vollständig implodiert ist und Druckphänomene erklärt
werden sollen. Es wäre interessant zu erfahren, wie ein hydraulischer
Widder nach Ansicht der Implosionstheoretiker funktionieren soll.
Anmerkungen:
1. Siphon bezeichnet genaugenommen
die umgekehrte Anordnung. Der U-förmige Teil des Rohres ist nach unten
gerichtet, und nicht nach oben wie beim Saugheber. Manche Autoren versteigen
sich dazu, den Saugheber eine "umgekehrten Siphon" zu nennen, was auch keine
glückliche Wortwahl darstellt.
