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Robert Stirling
Robert Stirling (1790 bis 1878) war
Pfarrer der Presbyterianischen Kirche
in Schottland und zugleich ein leiden-
schaftlicher Bastler und Tüftler. Seine
Lebenszeit fällt in die erste Hochblüte der
Industrialisierung, deren Energiehunger
durch abertausende der von James
Watt 1776 erfundenen Dampfmaschi-
nen gestillt wurde. Das Mitleid mit den
Opfern der immer wieder explodierenden
Dampfkessel ließ in ihm die Vision einer
Maschine reifen, die auch ohne hohen
Dampfdruck 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 Wasserpumpe eingesetzt werden
konnte. Zusammen mit seinem Bruder
entwickelte er seine Maschine weiter, mit
der er zuletzt einen noch nie dagewese-
nen 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 Antriebe für Kleingeräte ihre Arbeit
verrichteten und Privathaushalte und
kleine Handwerksbetriebe mit mechani-
scher Energie versorgten. Als sich Otto-,
Diesel- und Elektromotoren immer weiter
verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren
zunehmend vom Markt verdrängt.
Erst in unserer Zeit mit ihrem wachsen-
den Umweltbewusstsein und den endlos
steigenden Erdölpreisen beginnt eine
Rückbesinnung auf den genügsamen
und leisen Stirling-Motor. Inzwischen
wurden zahlreiche immer sparsamere,
leisere und vibra tionsärmere Varianten
erfunden, die umweltfreundlich mit be-
liebigen 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:
I
In einem abgedichteten, auf einer Seite beheizten oder abgekühlten Zylinder („Hauptzy-
linder") schiebt ein Kolben („Verdrängerkolben") die eingeschlossene Luft im ständigen
Wechsel zwischen der heißen und der kalten Seite hin und her.
I
Die Luft wird dadurch abwechselnd erwärmt und abgekühlt, was zu einer abwechselnden
Ausdehnung und Zusammenziehung und damit auch zu einem abwechselnd höheren
und niedrigeren Druck der Luft führt.
I
Dieser pulsierende Luftdruckwechsel wird über einen mit dem Hauptzylinder verbundenen
Kolben („Arbeitskolben") in die Bewegung einer Kurbelwelle mit Schwungrad umgesetzt:
Überdruck schiebt ihn weg, Unterdruck saugt ihn heran.
I
Mit einem kleinen Teil der dabei erzeugten Energie wird auch der Verdrängerkolben
bewegt, das System hält sich auf diese Weise selber in Gang.
K alte Luft
H eiß e Luft
Phase 1: Der Verdrängerkolben geht nach
oben. Die Luft wird vom kalten in den heißen
Bereich verschoben. Vorübergehend ist
der Luftdruck innen und außen gleich. Der
Arbeitskolben ist am unteren Ruhepunkt
(„Totpunkt") angekommen.
K alte Luft
H eiß e Luft
Phase 3: Der Verdrängerkolben geht nach
unten. Die Luft wird vom heißen in den
kalten Bereich verschoben. Vorübergehend
ist der Luftdruck innen und außen gleich.
Der Arbeitskolben ist am oberen Totpunkt
angekommen.
Der AstroMedia0 Stirling-Motor gehört zur Familie der Stirling-Flachplattenmotoren. Sie
haben einen extrem flachen Hauptzylinder und laufen schon bei sehr geringen Tempera-
turdifferenzen, manche sogar schon, wenn man sie auf die Handfläche legt. Das Prinzip
wurde 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,
Einfamilienhaus-Blockheizkraftwerke und, erstaunlicherweise, die Raumfahrt: Stirling-
Motoren 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 Drahtge-
flecht, das der vorbeiströmenden heißen Luft einen Teil der Wärme entzieht und ihr dann
wiedergibt, wenn sie abgekühlt erneut vorbeiströmt.
Luft wird heiß
Phase 2: Der Verdrängerkolben ist am
oberen Totpunkt angekommen. Die ganze
Luft ist im heißen Bereich, erhitzt sich und
entfaltet ihren Druck. Der Luftdruck ist innen
größer als außen. Der Arbeitskolben muss
ihm nachgeben und geht nach oben.
Luft wird kalt
Phase 4: Der Verdrängerkolben ist am
unteren Totpunkt angekommen. Die ganze
Luft ist im kalten Bereich, kühlt sich ab und
verliert ihren Druck. Der Luftdruck ist außen
größer als innen. Der Arbeitskolben muss
ihm nachgeben und geht nach unten.
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