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Wie funktioniert ein Stirlingmotor? - Die Physik dahinter beleuchtet

Der schottische Pfarrer Robert Stirling hat im 19. Jahrhundert diese pfiffige Wärmekraftmaschine erfunden, die simple Luft als Arbeitsmedium hat. Aber wie funktioniert sein Stirlingmotor und warum konnte er sich nicht durchsetzen?

Kolbenstangen von Verdrängerkolben und Arbeitskolben eines Heißluftmotors
Kolbenstangen von Verdrängerkolben und Arbeitskolben eines Heißluftmotors © R._B. / Pixelio

Robert Stirling - die Historie seiner Erfindung

  • Im Jahr 1816 erfand der schottische Geistliche Robert Stirling eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine. 
  • Das Interessante an diesem frühen Verbrennungsantrieb ist das Arbeitsmedium, nämlich ein Gas. Ursprünglich diente hierfür Luft, später verwendete man auch Wasserstoff oder Helium.
  • Das Prinzip hinter diesem Antrieb ist leicht zu durchschauen: Das Gas als Arbeitsmedium wird abwechselnd stark erhitzt und abgekühlt und schiebt dadurch zwei Kolben hin und her. Dabei wird - vom physikalischen Standpunkt her - Wärmeenergie in mechanische Energie (der Kolben) umgewandelt. 
  • Seinem Erfinder zu Ehren wird diese Antriebsform Stirlingmotor, seinem Funktionsprinzip folgend auch Heißluftmotor genannt.

Der Stirlingmotor - die Idee setzt sich jetzt erst durch

  • Die für den Motor benötigte Wärme wird außerhalb erzeugt und lässt im Prinzip jeden nur denkbaren Brennstoff zu. 
  • Allerdings konnte sich der Stirlingmotor, obwohl er zuverlässig funktionierte, in seiner Zeit wegen seines geringen Wirkungsgrades (damals nur 3 %) nicht gegen die Dampfmaschine und den späteren Verbrennungsmotor durchsetzen.
  • Seit einigen Jahren ist die Idee jedoch wieder im Gespräch. Die für den Motor benötigte Wärme wird nämlich außerhalb erzeugt und lässt im Prinzip jeden nur denkbaren Brennstoff zu. Es können daher wenig die Umwelt belastende Brennstoffe und auch alternative Energien (beispielsweise Solarwärme) genutzt werden. Der Treibstoff muss also nicht notwendigerweise ein Erdölprodukt sein.
  • Und: Sein einfacher Aufbau macht den Stirlingmotor auch für rohstoffarme Entwicklungsländer interessant. Mit deutlich verbessertem Wirkungsgrad ist der Heißluftmotor daher auch für den Fahrzeugantrieb einsetzbar (und wird in diesem Sinne schon erprobt). 

So funktioniert der Heißluftmotor - ein physikalischer Kreisprozess

Aber wie funktioniert die Erfindung des schottischen Pfarrers?

  • Das Arbeitsmedium "Luft" befindet sich bei diesem Motor in einem geschlossenen Kreislauf und wird nicht verbraucht.
  • Das Prinzip ähnelt dem bekannten Carnot-Kreisprozess aus der Physik, bei dem ein (ideales) Arbeitsmedium periodisch erhitzt und abgekühlt wird und dabei den Kolben der Wärmekraftmaschine antreibt. 
  • Auch beim Stirling-Prozess steht der Zylinder, in dem sich hier jedoch zwei Kolben bewegen, ständig zwei Wärmespeichern (mit einer hohen Temperatur T1 und einer niedrigen Temperatur T2) rechts und links in Verbindung. Der hohe Temperaturbereich wird durch eine äußere Wärmequelle aufrechterhalten.
  • Hat die Luft- oder Gasmenge im Zylinder bei T1 durch starke Erhitzung Druck aufgebaut, so bewegt sie den Arbeitskolben. Dabei entspannt sich die Luft und kühlt ab.
  • Der zweite Kolben, auch Verdrängerkolben genannt, arbeitet mit einer zeitlichen Verzögerung (genauer: Phasenverschiebung von 90°) gegen den Arbeitskolben. Er dient, wie der Name schon suggeriert, als Verdränger, der das Gas abwechselnd zum heißen und kalten Wärmespeicher strömen lässt. Hierfür sorgen mehrere Durchbohrungen oder eine poröse Membran.
  • Während des Betriebs ändern sich also Druck, Temperatur und Volumen der zwischen den Kolben eingeschlossenen Luft zyklisch.
  • Alle Zustände, die während eines Umlaufs eingenommen werden, lassen sich als Punkte in einem sog. Druck-Volumen-Diagramm darstellen. Der Ablauf beschreibt in diesem Diagramm - wie auch beim Carnot-Prozess - eine geschlossene Kurve, die wieder und wieder durchlaufen wird.
  • Nur bei einem einzigen Teilabschnitt wird dabei der Kolben durch die Expansion der Luft bewegt. Nur hier findet die gewünschte Energieumsetzung statt.
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