Wilhelm-Hausenstein-GymnasiumGymnase Auguste Piccard (Schweiz)

W-Seminararbeit (Maturaarbeit) Physik

Abiturjahrgang 2014/2016

Der Stirlingmotor,der Motor der Zukunft?

Rahmenthema: „Meilensteine der Natur und Technik“

Verfasst von: Julie Vienne

Abgabetermin: 13.07.2015

Lehrkraft: Christoph Brückl

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 11.1 Wahl des Themas und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Darstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Geschichte und Zukunft des Stirlingmotors 22.1 Erfindung des Stirlingmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Entwicklung seit dem 20. Jahrhundert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Nutzen damals und heute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.4 Konkurrenzfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4.1 Seine Vor- und Nachteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4.2 Zukünftige Einsätze des Motors im Alltag . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Die Funktionsweise des Motors 83.1 Wärmekraftmaschine und einfacher Kreisprozess: Prinzip des Motors . . . . . . 83.2 Der Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3 Der Regenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Verschiedene Konfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.4.1 Reversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.4.2 Gamma-Typ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Eigenbau eines Stirlingmotors 154.1 Wahl des Motorenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Verlauf der Bautätigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2.1 Planabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2.2 Probleme und Schwierigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.3 Endergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.4 Vergleich mit einem einfachen Bausatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.4.1 Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen . . . . . . . . 204.4.2 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 Fazit 245.1 Die Physik des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.2 Die Zukunft des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.3 Allgemeines Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6 Literaturverzeichnis und Quellen 266.1 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.2 Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.3 Blog/Video . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.4 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

7 Anhang 287.1 Liste des Materials zum Selbstbau eines Stirlingmotors . . . . . . . . . . . . . . 287.2 Baupläne des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8 Selbstständigkeitserklärung 30

1 Einleitung

Die Aufgabe dieser W-Seminararbeit ist es, einen bedeutenden Meilenstein aus der Physikweltauszusuchen und vorzustellen, indem man sich dazu noch intensiv durch Experimente mit demThema beschäftigt.

1.1 Wahl des Themas und Motivation

Bei der Recherche eines Meilensteins hat sich das Interesse sehr schnell auf ein bestimmtesThema konzentriert: auf den Stirlingmotor. Seit Jahren interessiert sich die heutige Gesellschaftfür die Umwelt und die Schäden der anthropogenen Eingriffe in diese. Bei der Untersuchungdes Motors fiel mir auf, dass er ein Motor der Zukunft werden könnte, da er die erneuerbarenEnergiequellen effizient verwenden kann, wodurch er eine umweltfreundliche Alternative zuMotoren, die Schadstoffe freisetzen, darstellen kann.

Zwar existiert der Stirlingmotor seit zweihundert Jahren und hat schon damals unumstritteneinen Einfluss auf die Industrieproduktion gehabt, ist aber heutzutage nicht mehr wirklichbekannt. Er wurde im Laufe der Zeit von Dampfmaschinen, Otto-Motoren oder Elektro-Motorenaus vielen verschiedenen Gründen ersetzt, die ich in dieser Arbeit vorstellen werde. In derheutigen Zeit wird dieser Motor auch nicht sehr oft in der Industrie oder im Haushalt verwendet,obwohl bewiesen wurde, dass sein Wirkungsgrad sehr hoch ist und er zusätzlich noch mitalternativen Energiequellen als Antrieb funktioniert.

Das Ziel dieser Arbeit ist es also, die Geschichte des Motors und seine Funktionsweise zu er-klären und herauszufinden, ob er wieder an Bedeutung gewinnen könnte. Als Fazit möchte ichdie im Titel aufgeworfene Frage beantworten, da ich mich selbst für ökologische Lösungen zuumweltschädlichen Anlagen interessiere.

1.2 Darstellung der Arbeit

Der Stirlingmotor gehört zu der Kategorie der Wärmekraftmaschinen, wobei seine Funktions-weise leicht nachvollziehbar ist. Um aber die Komplexität seiner zukünftigen Rolle jedoch dis-kutieren zu können, braucht man zunächst eine feste Grundlage über seine Vielschichtigkeit,bevor man versucht, ihn selbstzubauen.

In diesem Sinne wird sich der erste Teil der Arbeit der Geschichte des Stirlingmotors widmenund es wird einerseits seine bisherige Entwicklung erläutert, aber auch andererseits versuchtdarzustellen, inwieweit der Motor eine Wende in der Industrie und Physik einleiten könnte, in-dem seine Fähigkeit wieder auf dem Markt konkurrenzfähig zu sein, vorgestellt wird. Auch seinePrinzipien und einige Formeln werden erläutert, die beim Selbstbau verwendet werden.

Letztendlich wird ein Sitrlingmotor gebaut werden, da der Selbstbau einen guten Abschluss derArbeit anbietet. Man kann überprüfen, ob die physikalischen Prinzipien so verstanden wurden,dass man sie richtig in die Praxis umsetzen kann, indem man seine Effizienz (Umdrehungen proMinute) und seinen Wirkungsgrad misst und berechnet. Außerdem wird man über die Zukunftdes Motors spekulieren können, da man einen Blick auf seine wirtschaftlichen Eigenschaften undseine Schwach- bzw. Schwerpunkte (Preis der Einzelteile, Schwierigkeit des Baus und Effizienzdes Motors) wirft.

1

2 Geschichte und Zukunft des Stirlingmotors

Zunächst wird erläutert, warum der Stirlingmotor nur bei qualifizierten Ingenieuren und Physi-kern bekannt ist, und kein breit entwickelter Motor ist. Es wird aber auch diskutiert, inwiefernseine Bekanntheit sich verändern könnte, da die Gesellschaft so eine Maschine mit ihren vielenFacetten dringend für die Energie der Zukunft brauchen würde.

2.1 Erfindung des Stirlingmotors

Abbildung 1: Pastor Robert Stirling

Robert Stirling, geboren am 25. Oktober 1790und gestorben am 6. Juni 1878, war ein schotti-scher Priester und Erfinder. Stirling studierte zu-erst in Edinburgh, wo er sich u. a. für Mathematikund Logik interessierte und sich im Ingenieurs-wesen weiterbildete, bevor er sich entschied, Kir-chenmann zu werden. Nach drei Jahren in Glas-gow, wo er Theologie studierte, wurde er von derSchottischen Kirche zum Priester geweiht.1

In dieser Epoche, also am Anfang des 19. Jahr-hunderts, waren die Dampfmaschinen, die v. a. inFabriken verwendet wurden, sehr gefährlich. Die-se funktionierten nur mit Hochdruck, was oft zuKesselexplosionen und damit zu vielen Unfällenund Toten führte.2 Deswegen erfand der damals26-jährige schottische Geistliche Robert Stirlingeine Maschine, die ohne hohen Druck und dankeiner äußeren Verbrennung laufen kann, was dasExplosionsrisiko deutlich reduziert. Sein Ziel wares, die Arbeitsbedingungen in Steinbrüchen undKohlegruben zu verbessern, in denen oft vieleKinder arbeiteten.

Am 27. September 1816 ließ er seine Erfindung patentieren: den Stirlingmotor, der Wärmeener-gie in Arbeit umsetzen kann. Dieser neu erfundene Motor ist tatsächlich, nach der Dampfma-schine, die zweiälteste Wärmekraftmaschine der Welt, die auch Heißluft-Motor genannt wird.Die erste Maschine des neuen Erfinders wurde schon 1818 für den Antrieb einer Wasserpumpein Schottland benutzt, die die Aufgabe hatte, einen Steinbruch zu entwässern, bis einige Jahrespäter ein heißer Bauteil eines Zylinders durchbrannte.3

Erst mit Hilfe seines Bruders James gelang es, den Stirlingmotor weiterzuverbreiten, da Jamesdem Motor 1843 eine erste praktische Anwendung in einer Fabrik ermöglichte. Durch diese„Industrialisierung“ des Motors wurde er am Ende des 19. Jahrhunderts sogar in der Mittel-und Oberschicht für den Antrieb von Tisch-Ventilatoren, kleinen Zimmerspringbrunnen, Was-serpumpen und auch Nähmaschinen benutzt.

1Vgl. http://www.robertstirlingengine.com/history.php - abgerufen am 20.12.142Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S.113Vgl. Stirling-Maschinen-Technik, Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck

2

Am Anfang des 20. Jahrhunderts wurden ca. 250 000 Stirlingmotoren auf der ganzen Weltsowohl in Handwerksbetrieben als auch in Privathaushalten verwendet.4

Allerdings wird der Motor sehr gerne von (Hobby-)Physikern untersucht, die seine Funktionerst später, mit dem Beginn der Thermodynamik, verstehen bzw. beschreiben konnten. DieErklärung des Prinzips des Motors gelang Sadi Carnot (1796-1832) und später Gustav Schmidt(1826-1883), als dieser den Stirling-Zyklus 1871 mathematisch beschrieb.5

Obwohl der Stirlingmotor eine bedeutende Entwicklung kurz nach seiner Erfindung erlebte,hat er im Endeffekt immer mehr an Bedeutung in der Industrie zugunsten anderen Motorenverloren, obwohl er heutzutage für bestimmte Forschungen weiterentwickelt wird.

2.2 Entwicklung seit dem 20. Jahrhundert

Eines der ersten und wichtigsten Ereignisse des Stirlingmotors war der Einsatz eines Regene-rators, der dem Motor half, seinen Wirkungsgrad zu erhöhen und dadurch nützlicher in derIndustrie zu sein. Dank diesem konnte Robert Stirling im März 1843 einer Gießerei in Schott-land, der „Dundee Foundry Company“ seinen Motor anbieten, der mit seiner hohen Schwellen-leistung sehr effizient war. Der Motor konnte eine Drehzahl von 28 Umdrehungen pro Minuteerreichen und der Zylinder maß 0,5 m x 1,22 m. Der mit dieser Maschine erreichte Wirkungsgradvon 18 % ist ein Rekord im 19 Jahrhundert; im Vergleich dazu war der Wirkungsgrad einerDampfmaschine 10 %.6 Außerdem brauchte der Motor mit derselben Leistung wie die letzteDampfmaschine (34 kW) nur ein Drittel des Brennstoffs.7

Der Stirlingmotor erlebte aber im Laufe seiner Geschichte nicht nur Erfolge, sondern auch großeEnttäuschungen, indem er die erwartete Leistung nach seinem Einsatz manchmal nicht erreichte.Ein Beispiel dafür wäre 1853 der Stapellauf eines Dampfschiffs, dessen Turbinen von Stirling-motoren angetrieben wurden, das aber nur eine Leistung erreichte, die 110 kW niedriger war alserwartet.8 Diese Ereignisse und Enttäuschungen sind das erste Zeichen, dass dieser Motor sehrgenau und mit teuren Materialien gebaut sein muss, damit er effizient laufen kann, und dadurchhohe Investitionskosten verursacht, die sich viele Unternehmen nicht leisten können.

1939 interessierten sich Forscher dank des niederländischen Unternehmens Philips wieder für denStirlingmotor. Da die Firma kleine, aber leicht transportierbare und leistungsfähige Maschinenfür die Stromversorgung energiefressender Röhrenradios brauchte, erschien dieser Motor alsGenerator die geeignetste Lösung.9 Die Ingenieure des Projekts schafften es sogar, einen 200 kgschweren Stirlingmotor mit einem Wirkungsgrad von 38 % zu bauen.10

Der Motor wurde auch für militärische Projekte verwendet, u. a. für U-Boote, da er idealerweiseohne Explosion, Vibration und Geräusch läuft. Seit ihren Stapelläufen 1995 sind die Gotland-U-Boote der schwedischen Marine die modernsten U-Boote, die nicht mit Nuklearenergie, sondern

4Vgl. http://ak-stirlingmotor.rhcloud.com/stirling-maschine/die-geschichte-der-stirlingmotoren/ - abgerufenam 20.12.14

5Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gustav_Schmidt_(Ingenieur) - abgerufen am 20.12.146Vgl. http://www.nord-nature.org/publications/bulletin/123/123b1.htm - abgerufen am 02.01.157Vgl. Stirling-Maschinen-Technik, Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck8Vgl. http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Antriebstechnik/Stirlingmotor-faehrt-Schattendasein - abgeru-

fen am 02.01.149Vgl. Manuel des moteurs Stirling pour le modéliste, Daniel Lyonnet, 2011 - S. 18

10Vgl. http://www.energie.ch/themen/haustechnik/stirling/ - abgerufen am 17.01.14

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mit Stirlingmotoren funktionieren.11 Der Motor braucht keine Luft von außen und läuft durchdie Verbrennung von Diesel und reinemWasserstoff und erlaubt deswegen den Booten sehr lange(einige Wochen) unter Wasser zu bleiben.12 Man kann an diesem Beispiel seine Entwicklunggenau verfolgen, da der Motor nicht mehr für den Antrieb von Produktionsmaschinen wieursprünglich benutzt wird, sondern auf neuen Gebieten - hier Militär - verwendet wird.

Abbildung 2: Prototyp der NASA mitStirlingmotoren

Die NASA ist eine der wichtigsten Institu-tionen der Welt, wenn es um wissenschaftli-che Erfindungen und neue Technologien geht,und seit einigen Jahren interessiert sie sichfür Stirlingmaschinen. Die Weltraummissio-nen sind am anspruchsvollsten, weil die Be-dingungen, z. B. die Temperaturen, sehr ex-trem sind und der leere Raum den Satelli-ten keinen Stoff als Energiequelle für den An-trieb von Geräten zur Verfügung stellt. Al-lerdings ist der Einsatz einer Stirlingmaschi-ne eine sehr interessante Möglichkeit, da dieseMotoren vielfältige und nachhaltige Energie-

quellen verwenden können, die leicht in Satelliten transportierbar sind und keine Explosionenverursachen. Beispielsweise wird Uran als Energiequelle für eines der neuesten Projekte ver-wendet, wobei der 23 kg schwere Urankern Flüssigkeit, die im Rohr enthalten ist, erwärmt, wasStirlingmotoren erlaubt sogar im Vakuum zu laufen.13

Seit seiner Erfindung hat der Stirlingmotor immer viele „Comebacks“ gehabt, was bedeutet, dasser noch eine erfolgreiche Zukunft haben könnte, v. a. in einer Epoche, die neue umweltfreundlicheAlternativen braucht. In dieser Arbeit werden anschließend noch zukünftige Veränderungenund Anwendungen betrachtet, die vielleicht eine bessere Übersicht über das Zukunftswesen desMotors darstellen könnten.

2.3 Nutzen damals und heute

Wie schon erwähnt wurde der Stirlingmotor nach der Industrialisierung als keine physikalischeRevolution betrachtet. Einerseits war er viel sicherer als andere Motoren (Dampfmaschine),andererseits war es schwer für diesen Motor, sich in den wirtschaftlichen Sektoren durchzuset-zen, weil seine Leistung noch nicht richtig befriedigend war. Für die Arbeiter damals gab eskeine Sicherheitsvorkehrungen, weil das Wichtigste in Zeiten der Industrialisierung war, Pro-fit zu machen und nicht gute Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Deswegen stellte er fürdie Industrie keine günstige Alternative dar, und obwohl er eine beträchtliche Entwicklung amAnfang durchlaufen hatte (Wasserpumpen, Tisch-Ventilatoren usw.), wurde er ziemlich schnellvergessen.

Vielleicht ist dies einer der Gründe, warum der Motor nicht so oft verwendet wird, da er unge-eignet für Autos ist, obwohl sich sogar einige Unternehmen wie die NASA oder die „Ford Motor

11Vgl. http://saab.com/naval/Submarines-and-Warships/submarines/Kockums-Gotland-Class/ - abgerufenam 17.01.14

12Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gotland-Klasse - abgerufen am 17.01.1413Vgl. http://www.nuklearforum.ch/de/aktuell/e-bulletin/nasa-entwickelt-neues-energiesystem - abgerufen

am 18.01.14

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Company“ für das Thema interessiert haben.14 Tatsächlich hat die Automobilindustrie immereine der wichtigsten Rollen in der Wirtschaft gespielt und ist ständig auf der Suche nach einemneuen und günstigeren Ersatz für aktuell benutzte Motoren. Leider war die Leistungsfähigkeitdes Stirlingmotors in diesem Bereich noch nie ausreichend, da die Arbeit bei diesen Heißluft-Motoren nur mit einer schwer veränderbaren, fast konstanten Drehzahl verrichtet wird. Er istdadurch nicht im Verkehr benutzbar. Die Anlaufzeit, bis der Motor funktionieren kann, ist auchein wesentlicher Nachteil, da er einige Minuten braucht, bis die Luft in den Zylindern warmgenug ist, um zu strömen.

Abbildung 3: Dish-Stirling-Anlage in Spanien mitMetern groß Spiegeln

Es gibt heutzutage viele Projekte, mitdenen der Motor wieder an Bekannt-heit gewinnt. Einige amerikanische Fir-men nutzen schon seine vielfältigen undumweltfreundlichen Energiequellen aus,indem sie verschiedene Solar-Stirling-Anlagen entwickeln, deren Funktion esist, die solarthermische Energie mit Hil-fe von einem Stirlingmotor in mechani-sche Energie umzusetzen. Der Wirkungs-grad ist dann sehr hoch und kann bis zu31.25 % („SunCatcher“-Anlage in Arizo-na) erreichen, was besser als traditionel-le Photovoltaik-Anlagen ist. Das Ziel desProjekts „Solar One“ der Firma „StirlingEnergy Systems“ ist es sogar, eine Anlage

mit 34 000 solcher Solar-Stirling-Einheiten mit einer Leistung von 850 MW zu bauen.15

Dieser erste und erfolgreiche Versuch zeigt, dass der Stirlingmotor viele Facetten hat, die nurdarauf warten, von Forschern entdeckt zu werden, obwohl sein damaliger Nutzen eher enttäu-schend war.

14Vgl. „Science : A Stirling Performance“, Time November 201415Vgl. https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_Energy_Systems - abgerufen am 02.01.15

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2.4 Konkurrenzfähigkeit

Unter Konkurrenzfähigkeit versteht man die Möglichkeit des Motors, wieder an Bedeutung inder Industrie zu gewinnen, da er sehr interessante und konkurrenzfähige Vorteile hat. Anschlies-send werden auch seine Nachteile vorgestellt, um einen guten Vergleich mit anderen Motoren zubekommen und beurteilen zu können, was der Stirlingmotor noch mehr anzubieten hat.

2.4.1 Seine Vor- und Nachteile

Einige Vorteile des Stirlingmotors:16

1. Wie schon oft erwähnt, ist der Motor mit ganz vielen verschieden Energiequellen nutz-bar, was sein größter Vorteil ist. Egal ob der Brennstoff fest, flüssig oder gasförmig ist,solange er das Gas im Zylinder erwärmen kann, ist er geeignet. Anstatt traditionellerKohle benutzt man z. B. Solarenergie, was den Motor auf eine umweltfreundliche Ebenebringt. Allerdings findet die Verbrennung nicht im Inneren des Motors statt, sondern au-ßen, wodurch man die Emissionen einfacher kontrollieren kann, und die Abgase geringersind.

2. Da es im Prinzip nicht um Explosionen geht und die inneren Teile sowie das Gas keinenKontakt mit der Außenseite haben, kann der Motor lange laufen, indem er fast keineWiderstände erfährt. Dadurch funktioniert er auch theoretisch ohne Vibration und sehrleise.

3. Sein Wirkungsgrad zählt zu einem der höchsten bei Motoren und erreicht manchmal biszu 40 %. Mit den heutigen Kenntnissen und Materialien wird dieser Wert ständig erhöht.

Einige Nachteile:17

1. Es fällt schwer, einen Kompromiss zwischen dichten Kolben, großem Wärmeunterschiedund geeignetem Gas zu finden, da alle gegeneinander wirken. Hier merkt man schon,dass es schwierig ist, effiziente Materialien zu finden, die die Bewegung des Gases nichtverhindern.

2. Dieser erste Nachteil führt noch dazu, dass die Kosten sehr hoch sind, weil die Einzelteileaus dem besten Material bestehen sollen und genauestens verbaut werden müssen, wasviele Unternehmen davon abhält, den Stirlingmotor weiterzuentwickeln.

3. Seine Reaktionsfähigkeit ist auch eher niedrig im Vergleich zu anderen Motoren und esdauert lange, bis man ihn einstellen kann. Das Gas reagiert nicht so schnell auf Wärme-unterschiede und braucht Zeit, seine Strömung anzupassen.

16Vgl. http://www.okofen-e.com/de/vorteile_motor/ - abgerufen am 21.06.201517Vgl. https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling - abgerufen am 21.06.2015

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2.4.2 Zukünftige Einsätze des Motors im Alltag

Abbildung 4: BHKW in einem Haushalt

Hier unten wird eine Möglichkeit vorge-stellt, wie der Strilingmotor sich von ande-ren Motoren differenzieren könnte und wo-durch er wieder konkurrenzfähig auf demMarkt sein könnte.

Blockheizkraftwerke bieten dem Stirling-motor eine sehr gute Möglichkeit, sich inHaushalten zu verbreiten, da sie Strom so-wie Heizung (Verwendung der Abwärmeder Maschine für z. B. das Duschwasser)sehr effizient erzeugen.18 Mit solchen Micro-BHKW kann der Bedarf eines Einfamilien-hauses gedeckt werden, indem eine Stirling-Maschine durch innere Verbrennung ange-trieben wird.

Obwohl solche lokalen Anlagen noch nicht oft im Einsatz sind, stellen sie eine sehr rentable undumweltfreundliche Alternative dar. Die Firma „Senertec“ ist an der Spitze dieser Nutzungsmög-lichkeit und bietet den „Senertec Dachs Stirling“, der sich trotz hohen Investionskosten (ungefähr20 000 e) nach einem halben Jahr bereits rentiert, da er mit Gas, Erdgas oder Bio-Methan alsBrennstoff 1 kW elektrische Leistung und 6 kW Wärmeleistung erzeugen kann.19

Wenn Familien oder Firmen von solchen Anlagen wüssten und bereit wären, in Stirlingmotoren-BHKW zu investieren, könnte es einenWendepunkt für den Motor markieren und die Ziele seinesErfinders erreichen: der Gesellschaft zu helfen und gleichzeitig die Umwelt zu schützen.

18Vgl. http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/hausbau-regenerative-energie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-heizung/heizung-mit-stromerzeugung.html

19Vgl. http://www.bhkw-prinz.de/senertec-dachs-stirling-se-mikro-kwk/1812

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3 Die Funktionsweise des Motors

In diesem Teil wird erläutert, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, wobei die Prozessedes Stirling-Zyklus aufgezählt werden.

3.1 Wärmekraftmaschine und einfacher Kreisprozess: Prinzip des Motors

„Überall wo ein Temperaturunterschied herrscht, kann mit Hilfe einer Maschine Energie erzeugtwerden.“20

Sadi Carnot, 1824

Der Stirlingmotor setzt dieses Prinzip sehr gut um, da er dank des Wärmeunterschieds zwischenzwei Reservoirs Arbeit verrichten kann. Es gibt zwar drei verschiedene Hauptkonfigurationenfür den Bau des Motors, die abhängig von der Anzahl der Zylinder sind, aber das Grundprin-zip bleibt das gleiche, und der Motor hat immer zwei Reservoirs: das eine Reservoir führt derMaschine Wärme zu, während das andere Kälte zuführt. Dadurch bildet sich ein thermodyna-mischer Zyklus, auch Stirling- oder Carnot-Zyklus genannt.

Abbildung 5: Stirlingmotor mit Legenden

ImMotor kann eine Temperaturänderung unddadurch eine Druckänderung stattfinden, dadie Luft von einer warmen Seite zum Erhit-zen auf die kalte Seite zum Abkühlen dank derKolben verschoben wird. Da der Druck sichim Zylinder verändert, kann sich der Arbeits-kolben von oben nach unten bewegen und ver-richtet deswegen Arbeit. Der Motor beziehtsich also auch auf chemische Prozesse, die dieMoleküle eines Gases so anregen, dass eineArbeit daraus hervorgeht, wenn das Gas sichwieder ausdehnt.

Die beiden Kolben und das Schwungrad, demdie Bewegungsenergie des Arbeitskolbens ab-gegeben wird, sind so mit einer Kurbelwelleverbunden, dass sie eine Verschiebung von 90◦

haben.21 Um diesen Winkelunterschied zu verstehen, könnte man sich eine Uhr mit zwei Zeigernvorstellen, einer für die Minuten und der andere für die Stunden. Wenn diese Uhr defekt wäre,könnte man sich vorstellen, das die zwei Zeiger sich mit derselben Geschwindigkeit drehen. Diebeiden hätten eine Gradverschiebung von 90◦, wenn sie gleichzeitig um 12h15 anfangen wür-den, sich zu drehen. Diese Analogie kann insofern leicht wieder mit unserem System verbundenwerden, dass einer der Kolben normal anfängt, während der andere schon einen Viertel seinerDrehung um die Kurbelwelle gemacht hat (siehe Abbildung).

20Vgl. https://fbme.htwk-leipzig.de/de/forschung-und-projekte/21Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel , 2010 - S. 12

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Der erste Prozess22 des Zyklus ist die Zufuhr von äußeren Wärme (Qzu), damit die Luft im un-teren Bereich des Arbeitszylinders sich erwärmen kann. Es kommt zur sogenannten isothermenExpansion, da das Gas sich ausdehnen muss, damit die Temperatur nach diesem ersten Prozesstrotz der Wärmezufuhr wieder gleich wie am Anfang sein kann. Tatsächlich zeigt das untereDiagramm sowie eine bekannte Formel, dass der Übergang isotherm ist, da der Druck p1 sinkt,während das Volumen V1 größer wird: p0·V0

T0= p1·V1

T1. Dies führt dazu, dass die Gleichung - ohne

Veränderung der Temperatur - gilt.

Im idealen Fall kann diese isotherme Expansion stattfinden, weil der Arbeitskolben nach obengeschoben wird, was dann dem Gas erlaubt sich auszudehnen. Dank dieser Ausdehnung wirdbei dem ersten Prozess direkt Arbeit verrichtet, da die Luft in Bewegung ist, damit sie sich imganzen Arbeitszylinder ausbreiten kann: ∆W = −p ·∆V . Da beide Kolben mit einer Verspä-tung von 90◦ verbunden sind, löst die Bewegung des Arbeitskolbens durch das Schwungrad,dessen Bewegung dank der Massenträgheit im idealen Fall nie endet, auch die Bewegung desVerdrängerkolbens aus.

Abbildung 6: 1. Takt Abbildung 7: 2. Takt Abbildung 8: 1. bis 2.

Während des zweiten Prozesses wird die Luft vom unteren, warmen Bereich in den oberen,kalten Bereich dank des Verdrängerkolbens geschoben. Man spricht hier von einer isochorenAbkühlung/Verdichtung, da die Temperatur kleiner wird, was dazu führt, dass der Druck auchniedriger wird. Damit diese Druckabnahme wirklich stattfinden kann, wie im Diagramm gezeigtwird, muss das Volumen konstant bleiben, d. h. man schafft mit der Abkühlung des Gases dasBeibehalten einer isochoren (= gleiches Volumen) Situation. Während die Luft abgekühlt wird,muss der Arbeitskolben fast unbeweglich bleiben.

Abbildung 9: 2. Takt Abbildung 10: 3. Takt Abbildung 11: 2. bis 3.

22Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel , 2010 - S. 13 (alle vier Prozesse)

9

Als dritter Prozess herrscht die sogenannte isotherme Kompression. Hier wird Wärme an dieUmgebung abgegeben (Qab), da der Arbeitskolben in seinem Lauf nach oben geschoben wird,was einer Kompression der Luft im kalten Bereich des Zylinders entspricht. Das Ziel ist aberimmer dasselbe: die Temperatur in diesem Fall beizubehalten, wobei das System abkühlen muss,da der Druck wegen der Kompression höher geworden ist. Da beide Kolben sich immer nochbewegen, wird auch der Verdrängerkolben verschoben, und zwar nur ein wenig nach unten,damit er seine Drehung auf dem Boden des Zylinders beenden kann, was dazu führt, dass dieganze Luft sich im oberen, kalten Bereich befinden kann.

Abbildung 12: 3. Takt Abbildung 13: 4. Takt Abbildung 14: 3. bis 4.

Der letzte Prozess wäre die isochore Erwärmung : der Verdrängerkolben beendet seine Drehungund wird zum Schluss wieder nach oben verschoben, was die Bewegung der Luft von oben (=aus der Kälte) nach unten (= in die Wärme) antreibt. Einerseits erwärmt sich wieder die Luft (Twird größer), andererseits bleibt das Volumen gleich (= isochor; V konstant), was logischerweisezur Zunahme des Drucks führt: p · V = m ·R · T . Als letzter Punkt seiner Drehung bewegt sichder Arbeitskolben komplett nach unten, bevor er von vorn wieder anfängt, sich im ersten Taktnach oben zu bewegen. Tatsächlich ist das Gas zwischen den beiden Kolben wegen des letztenProzesses sehr komprimiert, da die beiden sich zueinander bewegen, was später zu einer starkenisothermen Expansion führt.

Abbildung 15: 4. Takt Abbildung 16: 1. Takt Abbildung 17: 4. bis 1.

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3.2 Der Wirkungsgrad

Idealerweise sollte das p-V-Diagramm eines Carnot-Zyklus ein großes gekrümmtes Rechtecksein, was der Realität nicht entspricht, wie es in der Abbildung deutlich gezeigt wird. So einenhohen Druck und ein großes Volumen erreichen die Maschinen nie, weil verschiedene Verlusteund Widerstände wie eine schlechte Konstruktion, kein Einsatz von Edelgasen, sowie Druck-,Reibungs-, und Wärmeverluste auftreten können, deswegen ist auch der reale Kreisprozess vielkleiner und elliptischer.23 Genauso wie die Berechnung des Wirkungsgrads, die unten erläutertwird, ist dieses p-V-Diagramm rein theoretisch.

Abbildung 18: Idealer und realerKreisprozess

Wie oben gesehen, funktioniert dieser Mo-tor mit thermodynamischen Prozessen und be-zieht sich dadurch auf die drei Hauptsät-ze der Thermodynamik. Den zweiten Haupt-satz, der hier relevant ist, wird zum er-sten Mal bei Herrn Carnot angesprochenund dreht sich um den größtmöglichen Wir-kungsgrad des Stirlingmotors. Carnot stelltschnell fest, dass eine Maschine, die dieganze Wärme mit einem Wirkungsgrad von100% in mechanische Arbeit umwandelt, un-denkbar ist. Um Herr Carnots Behaup-tung zu verstehen, muss man zunächst dieder Maschine zugeführte Wärme im Ver-hältnis zu der abgeführten Kälte betrach-ten, was tatsächlich mit dem ersten Haupt-satz der Thermodynamik verbunden werdenkann.

∆U = ∆Q+ ∆W (1)

(1) Erster Hauptsatz: die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist gleichder Summe der Änderung der Wärme und der Änderung der Arbeit.24

Daraus folgt, dass die Änderung der Wärme gleich die zugeführte Wärme, abgezogen von derabgegebenen Wärme, ist : ∆Q = Qzu +Qab, wobei Qab < 0.

Von einer allgemeinen Definition eines Kreisprozesses kann man noch ableiten, dass das Ar-beitsgas nach einem vollständigen Durchlauf sich wieder in seinem Ursprungszustand befin-det:25

∆U = 0 (2)

Die innere Energie eines Systems ist am Ende also gleich die ursprünglich innere Energie,deswegen ist deren Unterschied gleich null.

23Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 1524Vgl. https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/thermodynamik/INHALT/HS1.HTM

- abgerufen am 20.02.201525Vgl. Stirlingmotoren, Frank Schleder, 2011 - S. 21

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Wenn man beide Aussagen zusammenstellt,

∆U = ∆Q+ ∆W (1)0 = Qzu +Qab +W (2)

|W | = |Qzu| − |Qab|

kommt die Arbeit W als Wärmeunterschied heraus, wobei W sowie Qab negative Werte sind,und womit man den Wirkungsgrad wie gewohnt berechnen kann, und zwar als Division derArbeit, die verrichtet wird, durch die Arbeit, die zugeführt wird (hier Wärme):

η =|W ||Qzu|

=|Qzu| − |Qab||Qzu|

= 1− |Qab||Qzu|

Wenn man sich an die Aussage von Sadi Carnot erinnert, die besagt, dass eine Maschine, diedie ganze Wärme in Energie umwandelt, undenkbar wäre, kann man mit dieser letzten Formeldes Wirkungsgrades feststellen, dass er Recht hatte. Man sieht mit dem Abzug von (Qab/Qzu)zu 1, dass das Ergebnis immer kleiner als eins sein muss, also immer kleiner als 100% , wasCarnots Aussage und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht.

Mit der Herleitung dieses letzten Ergebnis (η = 1 − |Qab||Qzu|) könnte man letztendlich zu einer

konkreteren Formel kommen:η = 1− T1

T3(3)

wobei T1 die Temperatur im oberen Bereich des Zylinders ist, wo es kalt ist, und T3 im unterenwarmen Bereich.

Da die abgeführte bzw. zugeführte Wärme auch als Arbeit, d. h. als Produkt aus der Volu-menänderung und dem Druck (Definition der Arbeit eines Gases, Volumenarbeit26), betrachtetwerden kann, kann man den vorher gefundenen Wirkungsgrad umformulieren:

η = 1− Qab

Qzu= 1− | − p1 ·∆V1−2|

| − p3 ·∆V3−4|

wobei p1 = m ·R · T1 · 1V1

Dies führt jedoch dazu, dass sich ein Logarithmus mit der Volumenänderung ∆V1−2 und demTerm 1

V1bildet: ln V2

V1.

Daraus folgt also

η = 1−| −m ·R · T1 · ln V2

V1|

| −m ·R · T3 · ln V3V4|

wobei V2 = V3 und V4 = V1, was dem isochoren (= gleiches Volumen) Prozess entspricht.

Letztendlich kommt man durch Kürzen und Ersatz von Termen zu der vereinfachten Formel (3),die in einem konkreten Fall (siehe Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen)später benutzt wird, um den Wirkungsgrad einer Stirling-Maschine zu berechnen. Der Wir-kungsgrad ist deswegen umso höher, je grösser die Temperaturdifferenz zwischen den beiden

26Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Volumenarbeit - abgerufen am 21.03.15

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Reservoirs ist.27 Da Wärme und Kolben immer in Bewegung sind, hat man festgelegt, dassTkalt vor der isothermen Kompression (= vor der Abgabe von Wärme) gemessen wird, währendTwarm vor der isothermen Expansion (= vor der Zufuhr von Wärme) bestimmt wird.

3.3 Der Regenerator

Robert Stirling hat früh an den Einsatz eines Teils in seinen Maschinen gedacht, der den Wir-kungsgrad erhöhen konnte, was seinen Maschinen erlauben würde, sich auf dem Weltmarkt zuverbreiten. Dieser sogenannte Regenerator kann als Kurzzeitwärmespeicher28 betrachtet wer-den, da er Wärme von der vorbeiströmenden Luft aufnimmt, wenn der Verdrängerkolben sichnach unten bewegt, und diese an die nach unten strömende Luft beim Hochbewegen des Kol-bens wiederabgibt. Er ist gasdurchlässig und wird z. B. im Verdrängerkolben eingebaut, damitWärmeverluste verhindert werden können.

Abbildung 19: Einsatz eines Regenerators

Wenn das Arbeitsgas durch die Verschiebung desKolbens nach oben, in den heißen Raum strömt,wird es beim Durchlaufen des Regenerators vor-geheizt, damit es danach weniger Wärme vonder Energiequelle aufnimmt. Im Gegenzug dazu,wenn das Gas in den kalten Raum strömt, lässter viel Wärme im Regenerator zurück, damit esvorgekühlt werden kann. Der Regenerator kanndie Maschine also insofern optimieren, dass er dieab- und zugeführte Wärme komplett für die Ab-kühlung und das Erhitzen der Luft benutzt, wo-bei fast keine Wärme verloren geht, was den Wir-kungsgrad bis zu viermal verbessert.

27Vgl.Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 1528Vgl. Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 16

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3.4 Verschiedene Konfigurationen

Der Stirlingmotor kann in verschiedenen Weisen gebaut werden, abhängig von der Anzahl derZylinder, was drei Varianten erlaubt: Alpha (zwei getrennte Zylinder, entweder warm oder kalt,mit zwei Kolben), Beta (ein Zylinder mit zwei Kolben) oder Gamma (zwei verbundene Zylindermit zwei Kolben). Da der später selbst gebaute Motor zu dem Gamma-Typ gehört, wird nurdieser in der Arbeit genauer erläutert.

3.4.1 Reversible Prozesse

Interessant zu wissen ist es zunächst, dass man die Prozesse umkehren kann, damit Stirling-maschinen keine Wärmekraftmaschinen mehr sind, sondern Wärmepumpen oder Kühlmaschi-nen.29 Anstatt Wärme zuzuführen, wird Arbeit an das Rad in die entgegengesetzte Richtungverrichtet, damit die Prozesse anfangen können. Der so entstandene Entzug der Wärme aus demkalten Bereich zu dem warmen Bereich führt dazu, dass das kalte Reservoir immer kälter wird,während das warme Reservoir immer wärmer wird, was sich dem Prinzip einer Pumpe annä-hert.30 Diese Umkehrung wird sehr gern in der Industrie verwendet, da sie der Kryotechnik neuePerspektiven gibt, wie z. B. um Gase flüssig zu machen. Solche große Stirling-Kältemaschinenkönnen sogar Minus Temperaturen von bis zu -198◦ erreichen.31

3.4.2 Gamma-Typ

Abbildung 20: Gamma-Typ

Der Gamma-Stirlingmotor ist der ursprünglichste und einfach-ste Stirlingmotor,32 der zwei Zylinder und zwei Kolben besitzt,von denen einer ein Verdrängerkolben (= Displacer) ist, wäh-rend der andere die Arbeit verrichtet (= Piston).

Im Gegensatz zu der Alpha-Variante wird nur das Gas in einemVerdrängerzylinder (und nicht in zwei getrennten Zylindern) er-hitzt und abgekühlt, damit er die vier Prozesse durchführenkann. Die andere Unterscheidung ist, dass es bei Alpha-Motorenkeinen Unterschied zwischen Arbeits- und Verdrängerzylinderbzw. Kolben gibt, was hier der Fall ist.

Da es zwei verschiedene Kolben und Zylinder bei dem Gamma-Typ gibt, die sich genauso wie bei dem Beta-Typ gegenseitigdurch das Gas antreiben, kann man diese letzte Konfigurationals Mischung der Eigenschaften von den beiden ersten Typenbetrachten.

29Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 20130Vgl. http://www.mabo-physik.de/stirlingmotor.pdf - abgerufen am 10.03.1531Vgl. Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 1932Vgl. Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 84

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4 Eigenbau eines Stirlingmotors

Wie schon in der Einleitung erwähnt ist der beste Weg, einen Motor kennenzulernen und seineWirkung auf die Wirtschaft zu verstehen, den Motor selbstzubauen. Damit überprüft man seineGrundlagen auf die physikalische Funktionsweise der Maschine, da man die Teile seines eigenenMotors an die gelernte Theorie anpassen muss. Doch auch im Bauprozess erfährt man, wel-che wirtschaftlichen Eigenschaften (Kosten des Baus, Robustheit oder Komplexität des Baus)der Motor hat, sodass man einigen Problemen begegnen kann, welche die Literatur oder derSchulunterricht nie erwähnt.

4.1 Wahl des Motorenmodells

Abbildung 21: Myfordboy-Blogs Stirlingmotor

Die Wahl des Modells spielt eine sehr wichti-ge Rolle, weil sie definiert, wie komplex oderleicht der Bau sein wird. Einerseits sind ein-fach zubauende Maschinen eine gute Möglich-keit, da sie das Prinzip bzw. den Stirling- Zy-klus leicht darstellen. Sie sind aber für so ei-ne Arbeit nicht unbedingt passend, da kei-ne Schwierigkeiten auftauchen. Überraschen-derweise findet man hunderte von Bausät-zen für Stirlingmotoren im Internet, bereitsgeeignet für Kinder ab sechs Jahren... DasZiel dieser Arbeit ist aber den Motor in sei-nem Ganzen zu verstehen und nicht nur einenBausatz aus Pappe zusammenzusetzen. Sehrschnell wurden aber andererseits auch kom-pliziert baubare, und teure Motoren z. B. ausStahl aus offensichtlichen Gründen vom mög-lichen Selbstbau ausgeschlossen.

Mit dieser Einstellung und nach langen Recherchen wurde ein Motor auf einer englischen Web-seite gefunden, der alle Kriterien für einen guten Selbstbau erfüllt:

1. Der Ingenieur, der diesen Motor entwarf, hat nicht nur Pläne zur Verfügung gestellt, son-dern auch einen 36-Minuten langen Film gedreht, in dem er alle Bauabschnitte darstellt,damit man seinen Motor „easy“ - auf leichte Weise - bauen kann;33

2. Der Motor sieht in diesem Video-Tutorial nicht kompliziert aus. Seine Funktion ist leichtnachvollziehbar und stellt ein gutes Beispiel dar, wie ein Gamma-Stirlingmotor laufensollte;

3. Er wurde nur mit billigen Teilen und Haushaltsutensilien gebaut und ist deswegen fürdiese Arbeit sehr geeignet;

4. Er wurde als „Low Temperature Differential“ vorgestellt, was bedeutet, dass er theoretischmit einem geringen Temperaturunterschied laufen könnte. Da man mit ihm nach der

33Vgl. https://www.youtube.com/watch?v=5_50RuMcc28

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Fertigstellung verschiedene Konfigurationen testen könnte indem man die Energiequellen(Tasse warmes Wasser, Kerze, Eiswürfel usw.) verändert, schien er besonders interessant;

5. Auffällige Bauteile und durchsichtige Zylinder helfen dabei, alle Teile beim Laufen gut zuerkennen und dadurch alle Takte und Phasen leicht benennen und erläutern zu können.

4.2 Verlauf der Bautätigkeit

Der erste Schritt war selbstverständlich alle perfekt passenden, und ähnlichen Bauteile, wieim Video vorgeschlagen, zu kaufen, von denen sich eine vollständige Liste im Anhang befin-det. Da nicht alle Teile im Geschäft zu finden waren, beispielsweise die beiden Deckel einerBonbondose (genau 98 mm Durchmesser), die den Verdrängerzylinder bilden, mussten nochweitere Teile im Internet bestellt werden. Da der „Hobby-Ingenieur“ ein Engländer war, be-stand die erste Schwierigkeit darin, alle Messungen den „deutschen“ Materialien und Objektenanzupassen.

Die optimistische Schätzung des Ingenieurs gab an, dass 5 Minuten des Videos ungefähr 20Minuten Bauzeit entsprechen würden, wodurch man also ungefähr zwei bis drei Stunden fürden kompletten Bau - mit allen Werkzeugen und Materialien zur Hand - planen sollte. Sehrschnell stellte sich heraus, dass man es als Anfänger nie schaffen würde den vorgegebenenZeitrahmen einzuhalten, da der Bau mindestens vier Mal so viel Zeit in Anspruch nehmenwürde, wie angegeben.

Nach drei Stunden Arbeit war nur die Hälfte des Bauprozesses, der im Video angegeben war,geschafft, da die erforderliche Präzision diesen verlängerte. Zusätzlich wurden alle Teile noch-mals kontrolliert, geklebt, sauber gemacht und manchmal sogar zum zweiten Mal wieder neugebaut.

4.2.1 Planabschnitte

Abbildung 22: 1. Abschnitt des Baus

(1) - nach 11 Minuten des Videos - Zunächst wurdemit Hilfe der Pläne die obere Struktur aus Holz so-wie die inneren Verbindungen der Zylinder gebaut.Der obere Deckel des Zylinders, der aus einer Metall-dose besteht, wurde zwei Mal mit einem Durchmes-ser von 5 mm durchbohrt. Als erstes verbindet einLoch den Verdrängerzylinder mit dem Arbeitszylin-der, über dem ein Rohr aus Pappe als Arbeitszylin-der geklebt wurde. Hier wurde also eine Gasleitungverlegt.

Das zweite Loch wurde später für die Verbindungzwischen Schwungrad und Verdrängerkolben ver-wendet. Über diesem Loch wurde auch schon dieSpitze eines Drehbleistiftes geklebt, durch welchensich eine Nadel hin und her bewegen kann.

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Nur mit einer geradlinigen Nadel sichert man, dass die Bewegung des Verdrängerkolbens imVerdrängerzylinder immer in einer vertikalen Achse bleibt, so dass er nicht locker schwingt, wiees mit einem einfachen Draht der Fall gewesen wäre.

(2) - nach 14 Minuten - Man hat sich auf das Schwungrad konzentriert, das der Boden ei-ner Konservendose ist. Es wurde in der Mitte von einer verkürzten Nadel durchbohrt und solleinerseits mit dem Verdrängerkolben durch ein „displacer crank“ (= Verdrängerkurbel aus Stahl-draht) verbunden werden und andererseits durch ein „flywheel crank“ und ein „connection rod“mit dem Arbeitsdiaphragma in Verbindung gesetzt werden, das über das Rohr aus Pappe gelegtwurde. Dadurch hat man lange gebraucht, um jedes einzelne Verbindungsteil aus Strahldrahtsehr genau zu verbiegen und zu bauen (siehe Abbildung), die dem Rad ermöglichen soll, vonbeiden Seiten angetrieben zu werden und auch antreiben zu können, ohne dass seine Drehungdurch Reibung verhindert wird.

Abbildung 23: Verbindungsteile amRad

Abbildung 24: Zusammenstellungder Teile

(3) - nach 20 Minuten - Als nächstes kommt der Bau des Arbeitsdiaphragmas, das extremwichtig ist, da die Antriebe des kompletten Zyklus nach der ersten Ausdehnung des Gases beiihm anfangen. Es besteht aus einem geschnittenen Gummihandschuh, der am Arbeitszylindermit einem Haargummi befestigt wird und mit einem Stück Holz am „connecting rod“ verbun-den ist. Seine Aufgabe ist es, sich nach oben zu bewegen und das Schwungrad anzutreiben,wenn das Gas sich im Arbeitszylinder befindet und durch die Wärme expandiert, wodurch dasArbeitsdiaphragma einen eigentlichen Arbeitskolben ersetzen kann.

In der Startphase darf es deswegen nicht zu gespannt (es würde nur mit sehr viel Kraft hochkom-men) oder zu locker (die Bewegung wäre zu schlaff) sein, was in der Praxis schwer auszuführenist. Auch wenn sich nur ein sehr kleines Loch im Stoff befindet, ist der Motor schon nicht mehrverwendbar.

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Abbildung 25: Diaphragma (Arbeitskolben)

Wie man in der Abbildung gut sehen kann, wur-den zu diesem Zeitpunkt schon ein paar Verän-derungen am Motor im Vergleich zum Modellvorgenommen. Als erstes wurde das „connectionrod“ ein wenig gebogen, weil es zu lang war unddie Drehung des Schwungrads verhindert hat.Auf dem Schwungrad wurden auch Stücke vonKlebeband mit verschiedenen Größen geklebt,da das Loch in der Mitte eigentlich nicht derSchwerpunkt war. Es stellte sich schnell heraus,dass seine Drehung noch optimiert werden könn-te, indem man die Gewichte auf dem Rad bessertverteilt.

(4) - nach 30 Minuten - Vor der Zusammen-stellung aller Teile sollte man noch den Verdrän-gerzylinder mit seinem Kolben bauen. Theore-tisch besteht der Zylinder ganz einfach aus zwei

Deckel Bonbondosen und die Wand aus einer PET-Flasche. Beim Bau seines Motors hatte derenglische Ingenieur Glück, da die Flasche genau den richtigen Durchmesser im Vergleich zumDeckel hatte und dies passte perfekte. Leider war es bei diesem Motor kompliziert und manmusste den Zylinder mit Klebeband festmachen, da die deutschen Flaschen zu klein waren.Darin besteht also die Gefahr, dass der Zylinder nicht mehr dicht ist. Deswegen wurde er direktmehrmals umgeklebt, wodurch er an gutem Aussehen verloren hat. Um diesen Teil des Motorsfertigzubauen, wurde noch ein Kolben aus Styropor gebraucht, der 13 mm hoch, und 90 mmbreit ist. Der Kolben und der Zylinder haben also einen Abstand von 4 mm an jeder Seite,damit die Luft dazwischen hoch und runter strömen kann. Endlich konnten beide Teile durchdie Nadel verbunden werden, da man diese an das Styropor geklebt, und sie durch die Spitzedes Drehbleistiftes geführt hat.

(5) Als letzter Schritt wurde der Draht mit dem Verdrängerkolben am „displacer crank“ ange-hängt, genauso wie das „connecting rod“ und das „flywheel crank“ auf der anderen Seite desSchwungrads verkoppelt wurde. Die allerletzten Einstellungen des Baus betreffen die Winkelver-schiebung von 90◦: während das Diaphragma in einer neutralen Position ist (= die Kurbel solldrei Uhr zeigen), soll der Verdrängerkolben ganz unten sein (sechs Uhr). Nur dann hat man, dieMöglichkeit einen Stirlingzyklus zu vervollständigen, da sich beide Seiten gegenseitig antreiben,wobei das Diaphragrma und das „connecting rod“ sich als erstes aufheben sollten.

Insgesamt hat der komplette Bau vier Stunden und dreißig Minuten (auf drei Tage verteilt)gedauert, was viel länger war als erwartet. Auch wenn man sich wirklich bemüht hat, derAnleitung des Videos zu folgen, mussten ständig neue Schritte erledigt werden: im Laufe derfolgenden Wochen musste man immer mehr Bauteile erneuern und ersetzen, da der Motor niezum Laufen gebracht werden konnte.

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4.2.2 Probleme und Schwierigkeiten

Bis zu diesem Zeitpunkt funktioniert der Motor immer noch nicht, obwohl schon Stunden mitHilfe verschiedener Ingenieure und Hobby-Physikern verbracht wurden, um alle möglichen Pro-bleme zu lösen. Der Motor wurde schon so verbessert, dass er ohne Energiequelle und mit einemmanuellen Schwung 7 Sekunden ohne Stoß laufen kann, wobei die Zufuhr von Wärme die Lauf-zeit nicht verlängert. Aus einer physikalischen Sicht ist der Motor aber sehr interessant, da manalle Zyklen, gegenseitige Antriebe, und Bewegungen der Kolben gut erkennen kann.

Erste wesentliche Probleme sind schon beim Bau entstanden, als man die Nadel durch die Spitzedes Drehbleistiftes laufen lassen wollte. Die Passung zwischen Nadel und Spitze musste perfektsein, deswegen war es nötig, alle Teile neu zu bauen, weil sich Kleber im Loch befand, wodurchdie Nadel sich in der Spitze eingeklemmt hat. Wie bereits oben erwähnt hat auch der Verdrän-gerzylinder Probleme bereitet, weil es in Deutschland nicht möglich war, eine vom Durchmesserperfekt passende PET-Flasche zu finden. Sie sollte adaptiert werden, was natürlich Ungenau-igkeiten mit sich brachte. Dazu kam noch das Problem des Schwungrads, dessen Schwerpunktnicht in der Mitte war, worauf man schon am Anfang aufpassen hätte sollen. Letztendlich istes auch schwer gefallen, alle Verbindungen mit Draht und Faden richtig zu verknüpfen, da maneinem Schmetterlingseffekt begegnet: jede einzelne kleine Veränderung hat einen riesigen Ein-fluss auf den ganzen Motor und viele Bauteile müssen sofort angepasst, verkürzt oder ersetztwerden.

Nach der Fertigstellung dachte man, der schwierigste Teil wäre vorbei. Doch leider hat manschon beim ersten Versuch einen Widerstand bei der Drehung des Rades entdeckt und gespürt.Man hat also vermutet, dass der Antrieb bzw. der Impuls des Diaphragmas nicht gereicht hatund zu schwach war, um den schweren Verdrängerkolben anzuheben. Man konnte beobachten,dass der Gummi-Stoff beim Steigen und Fallen zu gespannt war, was dazu führte, dass manzu viel Kraft verlor, so dass das Schwungrad sich nicht mehr als drei Sekunden frei drehenkonnte. Sehr schnell wurde also das Styropor gegen ein Kleineres und Leichteres ersetzt undalle Einstellungen wurden auch nochmals kontrolliert, weil die Länge vieler Teile (Faden oderStahlstange über dem Diaphragma) sich verändert hatte.

Nach dieser ersten Verbesserung erreichte man eine konstante und relativ lange Drehung desRades. Leider tauchte noch ein anderes Problem auf, und zwar eines der Entscheidendsten. Inden Anweisungen stand, dass sobald der Motor über warmem Wasser steht, sollte das Diaphrag-ma sich heben und abfallen, da das Gas schnell dahin strömt und sich dort ausdehnt, was beidiesem Motor immer noch nicht zu sehen ist. Man suchte nach einem Loch und isolierte ausSicherheit die Wand des Verdrängerzylinders mit Klebeband. Sogar der Gummi-Stoff wurde erstmehr gespannt und danach wieder lockerer gemacht, was beim Laufen überhaupt keinen Unter-schied zeigte. Zusätzlich nahm man noch an, dass der Durchmesser des Verdrängerskolbens zuklein war, und dass das Gas zu viel freien Platz an der Wand hatte, um sich wieder abzuküh-len. Nun wurde er zum dritten Mal gebaut, was sich immer als sehr schwierig gestaltete, weilStyropor sehr zerbrechlich ist und sehr schnell an der Seite zerbröckelt. Schwierig auch deshalb,weil man keinen normalen Kleber für die Verbindung an der Nadel verwenden konnte, da diesersonst wegen dem Säuregehalt des Klebers schmelzen würde. Aber egal wie viele Versuche, dasErgebnis blieb immer das Gleiche: unerfolgreich.

Bisher bleibt es ein Rätsel, warum das Gas es nicht schafft, im Arbeitskolben genug zu expandie-ren und das Diaphragma hoch zu bewegen. Und noch wichtiger, es bleibt ein Rätsel, warum derMotor nicht laufen kann, obwohl alle möglichen Probleme mehrmals überprüft wurden.

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4.3 Endergebnis

Nach wochenlangen Versuchen und allen möglichen Verbesserungen musste man leider zumSchluss kommen, dass dieser Stirlingmotor nie funktionieren wird. Trotzdem kann es nicht alsMisserfolg betrachtet werden, da man mit diesem Bau seine Kenntnisse über das Prinzip desMotors überprüft hat, indem man viel nachdenken und beobachten konnte, wo Schwierigkeiten,Probleme und (Wärme-)Verluste vorliegen könnten. Dabei konnte man beobachten, wie derMotor mit den vier Phasen seines Zyklus im Idealfall hätte laufen sollen, obwohl er nicht zumFunktionieren gebracht werden konnte.

4.4 Vergleich mit einem einfachen Bausatz

Das Ziel dieser Arbeit war immerhin, die Formeln und erläuterten Prozesse in die Praxis umzu-setzen, wofür man Experimente mit einem selbstgebauten Motor durchführt. Leider war diesernicht verwendbar, weshalb man nach einer Alternative bzw. nach einem anderen Motor suchte,wobei ein einfacher und im Internet bestellbarer Bausatz als die beste Lösung erschien.

4.4.1 Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen

Insgesamt wurden vier Experimente mit vier verschiedenen Energiequellen durchgeführt, indemman einerseits die Temperatur an beiden Platten gemessen, und andererseits den Motor beimLaufen gefilmt hat, wodurch man die Zahl der Umdrehungen pro Minute, also seine Effizienz,bestimmen konnte.

Abbildung 26: Einfacher Bausatz

Als ersten Versuch wollte man überprüfen, ob derMotor - wie in der Bauanleitung versprochen - wirk-lich mit Handwärme laufen könnte. Man hat also denMotor auf der Hand gehalten, sowie Eiswürfel auf dieobere Platte gelegt, ohne die der Temperaturunter-schied nicht zum Funktionieren gereicht hätte. Beimzweiten Versuch hat man die Eiswürfel oben behal-ten aber den Motor auf eine Tasse heißes Wassergestellt. Nach dieser Messung hat man noch die Eis-würfel entfernt, da man wissen wollte, wie stark derUnterschied bei der Schnelligkeit der Umdrehungenwäre, sobald man die Kältezufuhr nicht mehr hät-te. Als letzter und vierter Versuch diente die Wärmeeiner Kerze als einzige Energiequelle, über die der Motor gehalten wurde. Hierbei sollte manallerdings aufpassen, dass die Flamme die untere Platte nicht beschädigt, da die Temperaturenbis zu 105◦ C erreichen.

Alle Temperaturen wurden mit einem Digitalthermometer gemessen, was Ungenauigkeit ver-ursacht hat, da man diesen genau auf den Deckel des Verdrängerzylinders legen sollte, ohnedass es einerseits z. B. die Eiswürfel berührt, und ohne dass andererseits zu viel Wärme (z. B.Wasserdampf über der Tasse) verloren geht, da eine Spalte zwischen der unteren Platte undder Tasse entsteht. Der zweite Faktor, der noch ein Grund für ungenaue Werte sein könnte, istdie Sonne, da die drei ersten Experimente beim Sonnenschein und 27◦ C durchgeführt worden

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(wodurch u. a. die Eiswürfel relativ schnell geschmolzen sind), während das letzte Experimentaber im Haus durchgeführt wurde.

Auf Grund dieser Ungenauigkeitsfaktoren wird jeweils der größte sowie der kleinste Wirkungs-grad berechnet, indem man annimmt, dass alle Werte ± 5 K haben.

Vier durchgeführte Experimente

Energiequelle Tk der oberen Platte Tw der unteren Platte

Eiswürfel und Handwärme 282.4 K 307.0 K

Eiswürfel und Tasse warmes Wasser 282.7 K 340.4 K

Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser 299.5 K 340.4 K

Umgebungsluft und Kerze 297.4 K *374.9 K

*Mit konstanten Schwankungen zwischen 372.8 und 376.0 K

Beispiel einer Rechnung für das erste Experiment

Mit der vorher vorgestellten Formel η = 1 − TkTw

, wird nun der kleinstmögliche Wirkungsgradberechnet:

η = 1− TkTw

= 1− 282.4K + 5K

307.0K − 5K= 4.8%

Sowie den grösstmöglichen Wirkungsgrad:

η = 1− TkTw

= 1− 282.4K − 5K

307.0K + 5K= 11.1%

Danach wurde noch der Durchschnittswert berechnet: 4.8+11.12 = 8.0± 3.1%,

wobei man die Ungenauigkeit des Messgerätes berücksichtigt.

Vier berechnete Wirkungsgrade

Energiequellen Wirkungsgrad

Eiswürfel und Handwärme 8.00 ± 3.1 %

Eiswürfel und Tasse warmes Wasser 17.0 ± 2.7 %

Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser 12.0 ± 2.8 %

Umgebungsluft und Kerze 20.6 ± 2.4 %

Diese Ergebnisse sind natürlich eher ungenau, da es im Motor viele Wärmeverluste und Wi-derstände gab, die man mit dieser Formel nicht einkalkulieren kann. Auch das Messgerät sowieder Motor sind nicht für eine professionelle Anwendung geeignet, sondern für eine schulischeAnwendung, was durch die, teilweise, unzuverlässigen Werte gezeigt wird. Jedoch sind dieseWerte befriedigend, da sie sich in dem zu erwarteten Bereich befinden. Tatsächlich ist es gutnachvollziehbar, dass ein selbstgebauter Stirlingmotor mit einem Temperaturunterschied von77.5◦ C einen Wirkungsgrad von ungefähr 20.6 % erreicht. Zunächst fällt dieser Wert natürlichals eher niedrig auf, wenn man weiß, wie der Motor in der Theorie effizient sein kann. Trotzdemist so ein Wert für einen ersten Versuch eines Anfängers sehr akzeptabel.

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Vier verschiedene Drehungszahlen pro Minute

Energiequellen Umdrehungen pro Minute

Eiswürfel und Handwärme 41 U./M.

Eiswürfel und Tasse warmes Wasser 105 U./M.

Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser 70 U./M.

Umgebungsluft und Kerze 88 U./M.

Wenn man beide Tabellen vergleicht, fällt es auf, dass der Motor bei den Experimenten mitdem größten Wirkungsgrad sich nicht am schnellsten gedreht hat, was merkwürdig ist. Mitganz präzisen Ergebnissen sollte man einen auffälligen Zusammenhang zwischen Umdrehungs-zahl und Wirkungsgrad bemerken können. Dies kann aber auch durch äußere Faktoren erklärtwerden, da das Experiment mit der Tasse warmen Wassers und den Eiswürfeln draußen durch-geführt wurde, während das mit der Kerze im Haus. Das Experiment mit dem Wasserdampfwurde auch als zweites gemacht, was dazu führt, dass der Motor vorher schon beim Laufen war(die ersten drei Experimente wurden nacheinander durchgeführt). Das ist selbstverständlich einVorteil für die Drehzahl, da der Motor mit der vorherigen Energiequelle schon einen Antrieberfahren hat.

Allgemein sind die Werte sehr hoch, da der Motor klein und mit leichten Materialien gebautwurde, wodurch das Rad sich schnell drehen kann, und da man in der Formel nur die Temperatu-ren und nicht die Widerstände und Verluste berechnet hat. Industrielle Motoren würden solcheDrehzahlen nie erreichen, obwohl sie viel effizienter sind. Umdrehungszahl und Wirkungsgradhängen also nur zusammen, wenn es um den gleichen Motor geht und die Werte am genaustensind, aber nicht wenn man zwei Motoren mit verschieden Größen und Materialien vergleicht(siehe ersten Stirlingmotor auf S. 5). Immerhin zeigen diese Ergebnisse, was oft erwähnt wurde:der Motor kann eher effizient mit alternativen und in diesem Experiment sogar umweltfreund-lichen Energiequellen laufen. Man kann davon ableiten, dass gut gebaute Stirlingmotoren vielmehr als 20 % Wirkungsgrad erreichen, da sie ohne Verluste und Widerstände sowie viel größergebaut werden und einen viel größeren Temperaturunterschied haben. Solche Werte, die manzu Hause gesammelt hat, wären für eine Dampfmaschine schon sehr befriedigend.

Insgesamt kann man feststellen, dass es einen riesigen Unterschied zwischen der Theorie und derPraxis gibt. Obwohl es Formeln zur Berechnung gibt, entsprechen sie nicht immer der richtigenFunktionsweise eines Motors, da sie viele Faktoren nicht einkalkulieren. Immerhin waren diesevier Experimente erfolgreich, da der Motor dank verschiedener Energiequellen laufen konnte,indem er verschiedene Wirkungsgrade sowie Umdrehungen pro Minute erreicht hat, wobei alleWerte relativ stimmig waren. Auch unlogische Werte konnten teilweise erklärt werden, waszeigt, dass die Fehler identifiziert wurden.

Idealerweise hätte man noch die Leistung des Motors berechnen sollen, was in der Theorie leiderkeinen Sinn gemacht hätte, da die Formeln viel zu genau sind, während die Messungen mit demexperimentellen Motor viel zu viel von der Theorie abweichen. Hierbei wird trotzdem die Formelvon Kolin vorgestellt:34 N = V ·∆T 2

2·108, wobei V das kleinste Arbeitsvolumen in Liter, abgezogen

vom Volumen des Verdrängers, ist. Es ist also unmöglich, dieses Volumen exakt messen zukönnen, da der Arbeitszylinder bei unserem Motor eine Membrane bzw. ein Diaphragma ist,die keiner bekannten geometrischen Form entspricht.

34Vgl. http://astromedia.de/STM%20Berechnung%20Loesung%20Bardow.pdf - abgerufen am 20.06.15

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4.4.2 Schlussfolgerung

Obwohl der praktische Teil dieser Arbeit nicht so gelaufen ist wie erwartet, konnte man ausbeiden Motoren viele wichtige Informationen ziehen. Als erstes konnte man die Theorie in diePraxis richtig umsetzen, indem man versucht hat, einen Motor aus dem Nichts zu bauen. Dabeisollte man sich mit allen möglichen Problemen auseinandersetzen, die die vier Prozesse desCarnot Zyklus teilweise nicht ermöglicht haben.

Mit Hilfe des zweiten Motors bzw. Bausatzes konnte man leichter verstehen, was bei dem erstenMotor nicht funktioniert hatte, da beide Motoren dem gleichen Typ (Gamma) entstammen undsomit den gleichen Aufbau hatten. Tatsächlich spielt die Genauigkeit des Baus eine entscheiden-de Rolle für einen erfolgreichen Selbstbau, da die kleinsten Widerstände und Wärmeverluste,den Motor unbenutzbar machen. Bei einem Bausatz sind alle Teile industriell, also sehr ge-nau, vorgebaut und in diesem Fall sogar aus sehr gutem Material. Wenn man beide Motorenvergleicht, fällt es sofort auf, dass der Erste sehr ungenau und ohne Erfahrung gebaut wurde,während der Zweite aus präzisen, und passenden Teilen besteht. Das Prinzip ist ähnlich, nurdie Durchführung des Baus und das Material machen den entscheidenden Unterschied.

Ebenfalls hat man bemerkt, dass es in industriellen Herstellungen nicht sehr schwierig wäre,extrem effiziente Stirlingmotoren zu produzieren, da hohe Wirkungsgrade einerseits durch gutesMaterial und exakte Fertigung, und andererseits durch hohe Temperaturunterschiede einfacherreicht werden.

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5 Fazit

Ich wollte ich in dieser Arbeit den Stirlingmotor so kennenlernen, dass ich die Frage nach seinerRolle in der Zukunft beantworten kann, indem das Für und Wider des Einsatzes einer solchenMaschine abgewägt wird, das in Büchern sowie aus der Erfahrung eines Eigenbaus gesammeltwurden.

5.1 Die Physik des Motors

Der erste Erfolg dieser Arbeit sind die Kenntnisse, die ich über den Motor und die Thermodyna-mik durch den Carnot-Zyklus gesammelt habe. Wenn man das Prinzip einer Maschine in einerArbeit so umformulieren soll, dass alle Leser dies leicht nachvollziehen können, beherrscht manautomatisch das Thema, da dessen Wissen grundsätzlich viel tiefer ist. In diesem Sinne wurdedas erste Ziel dieser Arbeit geschafft: die Geschichte des Stirlingmotors vorzustellen, sowie seineFunktionsweise zu verstehen. Auch auftretende Probleme beim Bau des Motors haben positivdazu beigetragen, dass ich mich noch mehr mit dem Thema auseinander gesetzt habe, da ichnochmals alle Kleinigkeiten der Maschine überprüft habe.

Ein wichtiges erstes Fazit, das ich aus dieser Arbeit ziehen kann, ist der riesige Unterschiedzwischen der Theorie und der Praxis, bzw. zwischen der Physik und dem Ingenieurswesen. Naivwurde gedacht, dass der komplette Eigenbau eines Stirlingmotors zwar lange dauern würde, abermachbar wäre. Wie relativ oft erwähnt, kann man als Anfänger so eine schwierige Aufgabe nichtbeim ersten Mal schaffen. Mit dem zweiten Motor wurde sehr schnell bemerkt, dass der Motorunbedingt genau sein muss, da er sonst nie zum Laufen gebracht werden könnte. Unmöglich wares aber mit dem ersten Motor alle passenden Bauteile perfekt einzeln einzubauen, da nicht alleMaterialien in Deutschland vorhanden waren (siehe PET-Flasche) aber auch, weil es im Grundeunglaublich schwierig war, anhand eines Videos eine Aufgabe wie diese zu erfüllen.

5.2 Die Zukunft des Motors

Jedoch wollte ich die mögliche zukünftige Rolle des Motors diskutieren, was nicht unbedingtgeschafft worden wäre, wenn der erste Motor sofort funktioniert hätte. Tatsächlich hat man mitdem zweiten Bausatz erfahren, dass die Einzelteile des Motors milimetergenau sein müssen unddass das Material der besten Qualität entsprechen muss, was in der Theorie nicht immer so er-wähnt wurde. Obwohl die Prinzipien leicht verständlich sind, ist die Umsetzung in die Praxis vielschwerer, was ein Grund dafür sein könnte, warum der Motor nicht so oft bzw. gerne verwendetwird. Industrielle müssen zu hohe Investitionskosten aufbringen, um einen effizienten Motor miteinem hohen Wirkungsgrad zu haben, wofür sie nicht unbedingt bereit sind. Natürlich richtensie also ihr Interesse auf Otto- oder Elektro-Motoren, die nicht ein so hohes Investitionsrisikodarstellen, da sie deutlich billiger sind. Seine Missbeachtung ist aber sehr schade, da er mitumweltfreundlichen Energiequellen laufen kann, was dem Begriff „Motor der Zukunft“ in derTat entspricht. Bisher ist der Preis des Stirlingmotors jedoch eine zu große Barriere um eineAlternative zu den gesetzten, umweltschädlicheren Motoren darzustellen.

Immerhin kann man sagen, dass der Stirlingmotor für bestimme Bereiche wie die Wissenschaft(Satellite der NASA), das Militär (schwedische U-Boote) und die Umwelt (Dish-Stirling- An-lagen) doch sehr geeignet ist, da solche Branchen genug Geld und Interesse haben, in die effi-

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zientesten Motoren zu investieren. Auch wenn eine Anwendung im Haushalt durch Blockheiz-kraftwerke möglich wäre, bietet diese Anwendung meiner Meinung nach noch keinen richtigenWendepunkt für ihn, da der Motor nach Stirling noch keinen gefestigten Stand in der Industriezu verzeichnen hat.

Schwierig ist es auf jeden Fall, die Zukunft des Motors allgemein vorherzusagen, obwohl wesent-liche Aspekte in den Vordergrund gestellt wurden. Aus einer rein physikalischen Sicht, könnte ereine große zukünftige Rolle spielen, was durch seine verschiedenen bedeutenden Vorteile gezeigtwurde. Sein Prinzip ist nicht nur leicht verständlich, sondern kann in ganz vielen verschiede-nen Weisen weiterentwickelt werden, indem man u. a. einen effizienten Regenerator oder einbestimmtes Gas in den Zylinder einsetzt und noch viel wichtiger, billige und ökologische Wär-mequellen verwendet, was die nächste Generation unbedingt bräuchte, weil sie die Umwelt nichtweiter so schädigen soll wie wir es heutzutage tun.

Seine Effizienz, Vielseitigkeit und Umweltfreundlichkeit lassen uns also annehmen, dass er einegroße Rolle spielen könnte. Jedoch stellt er aus einer wirtschaftlichen Sicht noch keine richti-ge Lösung dar, da er im Vergleich zu den heutigen Anlagen sehr teuer, unbekannt und nocheher unpraktisch für den Haushalt oder die Industrie ist. Damit er eine Chance auf dem Marktbekommt, sollte er meiner Ansicht nach zunächst in bestimmten Bereichen verbreitet werden,und nur industriell und in der Masse vermarktet werden, wenn er mit billigen aber effizientenMaterialen gebaut werden kann, was seine Kosten reduzieren könnte. Erst danach wären Leutebereit einen umweltfreundlicheren Motor zu kaufen. Folglich kann er nur in diesem Zusammen-hang als richtiger Motor der Zukunft betrachten werden, da nicht nur die Physik, sondern auchdie Wirtschaft zählt.

5.3 Allgemeines Fazit

In dieser W-Seminararbeit geht es nicht nur um die reine Physik, in der man sich mit Formelnund Funktionsweise beschäftigt, sondern auch um Erfahrungen, die man bei einer manuellenAuseinandersetzung mit dem Thema sammelt. In diesem Sinne habe ich viel darüber gelernt,wie man sich von der literarischen Theorie zugunsten der Praxis entfernen kann (und manchmalunangenehme Überraschungen machen kann...) und bin also mit den Ergebnissen dieser Arbeitzufrieden.

Alle Zielsetzungen dieser Arbeit wurden mehr oder weniger schnell erfüllt, da das Thema gutverstanden wurde. Auch die im Titel aufgeworfenen Frage über die Zukunft des Motors konnteerläutert werden, wobei man die Stärke des Motors (seine umweltfreundlichen Vorteile undsein einfaches Prinzip) sowie seine Schwäche (seine Kosten und seine verlange Genauigkeit)vorgestellt hat.

Wie in der Einleitung erwähnt interessiere ich mich für die Ökologie aus einer physikalischenund ingenieurtechnischen Sicht, wobei ich gerne Umweltingenieurwissenschaften an der ETH inZürich studieren möchte. Darum lag es mir am Herzen neue, mögliche Lösungen zum Problemder Umweltverschmutzung kennenzulernen und zu diskutieren.

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6 Literaturverzeichnis und Quellen

6.1 Literatur

• Daniel Lyonnet (2011): Manuel des moteurs Stirling pour le modéliste - Saint-Laurent-le-Minier, Decoopman

• Dieter Viebach (2010): Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut - Staufen beiFreiburg, Ökobuch-Verlag

• Frank Schleder (2011): Stirlingmotoren : thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrech-nung, Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren - Würzburg, Vogel

• Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck (2007): Stirling-Maschinen-Technik: Grund-lagen, Konzepte, Entwicklungen, Anwendungen - Heidelberg (Neckar), C.F. Müller

• Ulrich E. Stempel (2010): Experimente mit dem Stirlingmotor - Poing b. München, Franzis

6.2 Internet

In der Reihenfolge der Fussnoten im Text

• http://ak-stirlingmotor.rhcloud.com/stirling-maschine/die-geschichte-der-stirlingmotoren/

• http://de.wikipedia.org/wiki/Gustav_Schmidt_(Ingenieur)

• http://www.nord-nature.org/publications/bulletin/123/123b1.htm

• http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Antriebstechnik/Stirlingmotor-faehrt-Schattendasein

• http://www.energie.ch/themen/haustechnik/stirling/

• http://saab.com/naval/Submarines-and-Warships/submarines/Kockums-Gotland-Class/

• http://de.wikipedia.org/wiki/Gotland-Klasse

• http://de.wikipedia.org/wiki/Solar-Stirling

• http://www.okofen-e.com/de/vorteile_motor/

• https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling

• http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/hausbau-regenerative-energie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-heizung/heizung-mit-stromerzeugung.html

• http://www.bhkw-prinz.de/senertec-dachs-stirling-se-mikro-kwk/1812

• https://fbme.htwk-leipzig.de/de/forschung-und-projekte/

• https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/thermodynamik/INHALT/HS1.HTM

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• http://de.wikipedia.org/wiki/Volumenarbeit

• http://www.mabo-physik.de/stirlingmotor.pdf

• http://astromedia.de/STM%20Berechnung%20Loesung%20Bardow.pdf

6.3 Blog/Video

• Myfordboy Blog and Online Ressources: http://myfordboy.blogspot.de

• Low Temperential Stirling Engine: https://www.youtube.com/watch?v=5_50RuMcc28

6.4 Abbildungen

• Abb. 1 Pastor Robert Stirling : http://fr.wikipedia.org/wiki/Robert_Stirling

• Abb. 2 Prototyp der NASA mit Stirlingmotoren: http://www.nuklearforum.ch/de/aktuell/e-bulletin/nasa-entwickelt-neues-energiesystem

• Abb. 3 Dish-Stirling-Anlage in Spanien mit Metern groß Spiegeln: http://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6731/11047_read-25255/

• Abb. 4 BHKW in einem Haushalt : http://www.bhkw-infothek.de/nachrichten/2474/2011-04-15-ish-senertec-prasentiert-den-dachs-stirling-se/

• Abb. 5 Stirlingmotor mit Legenden: http://www.stirling-fette.de/howdoes.htm

• Abb. 6 -17 Alle 4 Takte: Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010- S. 13

• Abb. 18 Idealer und realer Kreisprozess: Der Stirlingmotor einfach erklärt und leichtgebaut, Dieter Viebach, 2010 - S.17

• Abb. 19 Einsatz eines Regenerators: http://scimods.com/Pictures/Stirling-engine.gif

• Abb. 20 Gamma-Typ: http://diystirlingengine.com

• Abb. 21 Myfordboy-Blogs Stirlingmotor : http://myfordboy.blogspot.de/p/blog-page_12.html

• Abb. 22 1. Abschnitt des Baus

• Abb. 23 Verbindungsteile am Rad

• Abb. 24 Zusammenstellung derTeile

• Abb. 25 Diaphragma als Arbeitskolben

• Abb. 26 Einfacher Bausatz

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7 Anhang

7.1 Liste des Materials zum Selbstbau eines Stirlingmotors

Quelle: Myfordboy Blog

• Eine 2-Liter-PET-Flasche

• Der Boden einer großen Konservendose

• Zwei kleine Bonbondosen-Deckel

• Die Spitze eines Drehbleistiftes

• Eine Röhre aus Pappe (Durchmesser = 30mm)

• Eisendraht

• Zwei Nähnadeln

• Nähdraht

• Ein Latex-Handschuh

• Ein Stück dünne Pappe

• Ein paar Holzstäbchen

• Dünne Haargummis

• Dünner Kupferdraht

• Polystrol aus Verpackungsmaterial

• Epoxyklebstoff

• Sekundenkleber

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7.2 Baupläne des Motors

Quelle: Myfordboy Blog, zum Ausdrucken in Originalgröße

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8 Selbstständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Seminararbeit selbständig verfasst und keine ande-ren als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der Arbeit, die anderen Quellenim Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen wurden, sind durch Angaben der Herkunft kennt-lich gemacht. Dies gilt auch für Abbildungen sowie für Quellen aus dem Internet.

München, am 11.07.2015

Julie Vienne

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