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Robert Stirling
Robert Stirling (1790 bis 1878) war Pfarrer
der Presbyterianischen Kirche in Schottland
und zugleich ein leidenschaftlicher Bastler
und Tüftler. Seine Lebenszeit fällt in die ers-
te Hochblüte der Industrialisierung, deren
Energiehunger durch abertausende der von
James Watt 1776 erfundenen Dampfma-
schinen gestillt wurde. Das Mitleid mit den
Opfern der immer wieder explodierenden
Dampfkessel ließ in ihm die Vision einer Ma-
schine reifen, die auch ohne hohen Dampf-
druck arbeiten sollte.
Am 27. September 1816 meldete er das
Patent für einen Heißluftmotor an, den er
1818 so weit fertig gestellt hatte, dass er in
einem Bergwerk in Ayrshire als Wasser-
pumpe eingesetzt werden konnte. Zusam-
men mit seinem Bruder entwickelte er sei-
ne Maschine weiter, mit der er zuletzt einen
noch nie dagewesenen Wirkungsgrad von
18% erreichen konnte. Er starb am 6.Juni
1878 im Alter von 87 Jahren.
Zu Anfang des 20. Jahrhunderts gab es
weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren, die als
Tischventilatoren, Wasserpumpen oder An-
triebe für Kleingeräte ihre Arbeit verrichte-
ten und Privathaushalte und kleine Hand-
werksbetriebe mit mechanischer Energie
versorgten. Als sich Otto-, Diesel- und Elek-
tromotoren immer weiter verbreiteten, wur-
den die Stirlingmotoren zunehmend vom
Markt verdrängt.
Erst in unserer Zeit mit ihrem wachsenden
Umweltbewusstsein und den endlos steigen-
den Erdölpreisen beginnt eine Rückbesin-
nung auf den genügsamen und leisen
Stirling-Motor. Inzwischen wurden zahlrei-
che immer sparsamere, leisere und vibra-
tionsärmere Varianten erfunden, die umwelt-
freundlich mit beliebigen Wärmequellen,
darunter auch Solarenergie, beheizt werden
können.
So funktioniert ein Stirling-Motor:
Das Prinzip ist so genial wie einfach und kann in vier Sätzen erklärt werden:
In einem abgedichteten, auf einer Seite beheizten oder abgekühlten Zylinder („Haupt-
zylinder") schiebt ein Kolben („Verdrängerkolben") die eingeschlossene Luft im ständi-
gen Wechsel zwischen der heißen und der kalten Seite hin und her.
Die Luft wird dadurch abwechselnd erwärmt und abgekühlt, was zu einer abwechseln-
den Ausdehnung und Zusammenziehung und damit auch zu einem abwechselnd höhe-
ren und niedrigeren Druck der Luft führt.
Dieser pulsierende Luftdruckwechsel wird über einen mit dem Hauptzylinder verbun-
denen Kolben („Arbeitskolben") in die Bewegung einer Kurbelwelle mit Schwungrad
umgesetzt: Überdruck schiebt ihn weg, Unterdruck saugt ihn heran.
Mit einem kleinen Teil der dabei erzeugten Energie wird auch der Verdrängerkolben
bewegt, das System hält sich auf diese Weise selber in Gang.
Phase 1: Der Verdrängerkolben geht nach
oben. Die Luft wird vom kalten in den hei-
ßen Bereich verschoben. Vorübergehend ist
der Luftdruck innen und außen gleich. Der
Arbeitskolben ist am unteren Ruhepunkt
(„Totpunkt") angekommen.
Phase 3: Der Verdrängerkolben geht nach
unten. Die Luft wird vom heißen in den kal-
ten Bereich verschoben. Vorübergehend ist
der Luftdruck innen und außen gleich. Der
Arbeitskolben ist am oberen Totpunkt ange-
kommen.
Der AstroMedia
Stirling-Motor gehört zur Familie der Stirling-Flachplattenmotoren. Sie
haben einen extrem flachen Hauptzylinder und laufen schon bei sehr geringen Temperatur-
differenzen, manche sogar schon, wenn man sie auf die Handfläche legt. Das Prinzip wur-
de erstmals 1983 durch Prof. Ivo Kolin von der Universität Zagreb beschrieben.
Einige Anwendungsgebiete moderner Stirling-Motoren sind z.B. Solarstromanlagen, bei
denen die heiße Seite des Hauptzylinders im Brennpunkt eines Parabolspiegels liegt, Ein-
familienhaus-Blockheizkraftwerke und, erstaunlicherweise, die Raumfahrt: Stirling-Moto-
ren erzeugen in Raumsonden Strom aus mitgeführten radioaktiven Energiequellen. Ebenfalls
schon genutzt wird die Möglichkeit, den Stirling-Motor als Wärmepumpe und sogar als
Kühlaggregat zu verwenden: Wenn man ihn von außen mechanisch in Bewegung versetzt,
verschiebt er die Wärme von der einer Seite des Hauptzylinders zur anderen, was zur
Abkühlung bzw. Erwärmung führt.
Industriell eingesetzte Stirling-Motoren verfügen über einen sogenannten Regenerator, der
die Leistung noch einmal enorm steigert: Ein im Verdrängerkolben angebrachtes Draht-
geflecht, das der vorbeiströmenden heißen Luft einen Teil der Wärme entzieht und ihr dann
wiedergibt, wenn sie abgekühlt erneut vorbeiströmt.
Phase 2: Der Verdrängerkolben ist am obe-
ren Totpunkt angekommen. Die ganze Luft
ist im heißen Bereich, erhitzt sich und ent-
faltet ihren Druck. Der Luftdruck ist innen
größer als außen. Der Arbeitskolben muss
ihm nachgeben und geht nach oben.
Phase 4: Der Verdrängerkolben ist am un-
teren Totpunkt angekommen. Die ganze Luft
ist im kalten Bereich, kühlt sich ab und ver-
liert ihren Druck. Der Luftdruck ist außen
größer als innen. Der Arbeitskolben muss
ihm nachgeben und geht nach unten.
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