Technik: So funktioniert ein Stirlingmotor

Am 27. September 1816 meldete der schottische Wissenschaftler, Theologe und Rechtswissenschaftler Robert Stirling (1790-1878) ein Patent für den Heißgasmotoran, der heute vor allem unter der Bezeichnung Stirlingmotor bekannt ist. Im Laufe des Jahres 1818 wurde das Konzept durch Robert Stirling in mehreren Stufen in die Praxis umgesetzt, danach durchlief der Motor erste Praxisversuche als Wasserpumpe im schottischen Bergwerk in Ayrshire.

Die Idee: Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie

Die Idee, die sich hinter dem Stirlingmotor verbirgt, ist ebenso einfach wie effektiv. Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, das bedeutet, dass ein abgeschlossenes Arbeitsgas von außen an zwei verschiedenen Bereichen erhitzt und gekühlt wird, um einen Mechanismus in Gang zu setzen. Durch diese Technik kann mechanische Arbeit verrichtet werden, indem man innerhalb eines geschlossenen Kreisprozesses thermische Energie in mechanische Energie umwandelt.

Damals und heute kann mechanische Energie besser genutzt werden als thermische, deshalb ist die Entwicklung des Heißluftmotors eine logische Konsequenz. Als Arbeitsgas kann beim Stirlingmotor Luft, Helium oder Wasserstoff eingesetzt werden, Wasserstoff ist dabei am geeignetsten, da dieses Gas über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine spezifische Gaskonstante und eine hohe Wärmekapazität aufweist.

Auch zeichnet sich Wasserstoff durch seine geringe Viskosität aus, in der Praxis hat das den Vorteil, dass dieses Arbeitsgas dunnflüssiger und damit fließfähiger ist. Die äußere Wärmequelle kann beim Betrieb des Stirlingmotors beliebig gewählt werden. Bei manchen Modellen genügt schon die Wärme der menschlichen Hand, um die Mechanik in Gang zu setzen, bei anderen wird etwa eine Flamme oder ein anderer Wärmeträger benötigt.

Die Praxis: Funktionsweise eines Stirlingmotors

Im von außen erwärmten Zylinderraum des Stirlingmotors dehnt sich das Arbeitsgas aus, im kalten Zylinderraum zieht es sich wieder zusammen. Hierdurch entsteht mechanische Arbeit, die auf vielfältige Art und Weise genutzt werden kann. Üblicherweise wird der Stirlingmotor als Hubkolbenmotor umgesetzt. In der Praxis bewegt sich das Arbeitsgas (Luft, Helium oder Wasserstoff) zwischen dem permanent erhitzen und dem gekühlten Bereich ständig hin und her.

Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors wird dadurch erhöht, dass der Regenerator einen Teil der Wärmeenergie aufnimmt, die das Arbeitsgas auf dem Weg zum gekühlten Bereich verliert – auf diese Weise können pro Zyklus zirka 80 Prozent der umgesetzen Wärme gespeichert werden.

Wichtige Merkmale eines Stirlingmotors kurz zusammengefasst:

• Beim Stirlingmotor wird thermische in mechanische Energie umgewandelt.
• Die Wärmeerzeugung kann nicht nur durch Verbrennung gewährleistet werden, sondern durch unterschiedlichste Wärmequellen (Solarenergie, Erdwärme, Körperwärme, etc.).
• Der Temperaturunterschied zwischen erwärmten und gekühltem Bereich muss mitunter nur wenige Kelvin Unterschied aufweisen.
• Günstige Abgaswerte sind bei einer Wärmeerzeugung durch Verbrennung möglich, da beliebige Brennstoffe bei der kontinuierlichen Wärmeerzeugung von außen nutzbar sind.
• Ein Stirlingmotor zeichnet sich im Vergleich zu anderen Motoren durch eine geringe Geräuschentwicklung aus, denn hier werden im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor keine Explosions- oder Auspuffgeräusche produziert.
• Ein Stirlingmotor benötigt extrem wenig Schmieröl, das spart Betriebskosten.
• Stirlingmotoren sind für Kraftfahrzeuge eher ungeeignet, denn durch große Wärmeübertrager sind die Maschinen schwer, außerdem ist die gezielte Steuerung des Wärmestromes langsam.
• Auch ohne zusätzliche Ausgleichswellen kann ein Stirlingmotor als Einzylindermotor realisiert werden.
• Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.
• Durch unterschiedliche Bauformen gelten Stirlingmotoren als vielseitig und gut weiterentwickelbar.

Anwendungsbeispiele für einen Sterlingmotor

Stirlingmotoren können vielseitig eingesetzt werden. Heutzutage werden die Motoren vor allem zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie genutzt, etwa bei der Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie, in Blockheizkraftwerken, bei U-Booten oder in der Luft- und Raumfahrt. Auch eine Verwendung als Wasserpumpe ist möglich und auch in der Medizintechnik finden sich Stirlingmotoren.