Der Prozess
Ganz vereinfacht gesagt geht es anfangs nur um eine unheimlich aufwändige Methode Wasser zu kochen. Wie man das anstellt ist dabei egal. Man kann Kohle, Öl, oder Gas verfeuern, die Wärme einer nuklearen Kettenreaktion ausnutzen, oder zum Beispiel Sonnenstrahlen bündeln und damit heizen.
Wir könnten als Hausfrauenbeispiel auch einen Topf auf eine heiße Herdplatte stellen. Wenn das Wasser in dem Topf nun anfängt zu sieden, dann entstehen im Wasser Dampfblasen die zur Oberfläche streben und dort zerplatzen. Es dampft aus dem Topf.
Zu sehen ist jetzt schonmal eine Eigenschaft, die Wasserdampf von Wasser unterscheidet. Er braucht mehr Raum. Würde er genausoviel Raum wie das Wasser einnehmen, könnte er ja im Topf bleiben. So aber quillt er über den Topfrand hinaus oder steigt auch senkrecht hoch.
Obwohl jetzt aber offensichtlich Wasser verdampft, also den Topf verlässt, sinkt der Wasserspiegel nur sehr langsam. Das heißt, dass man aus z.B. einem Liter Wasser eine ganze Menge Dampf gewinnen kann. Es sind sogar mehrere Kubikmeter Dampf, die so unseren Topf verlassen könnten.
Das bringt uns aber erstmal noch garnichts außer eine feuchten Küche. Wir wollten aber eigentlich doch Strom erzeugen und bis jetzt verbrauchen wir nur welchen. Genauer gesagt stecken wir Energie in unseren Prozess und erzeugen damit etwas, was wir nicht nutzen können. Es sei denn, wir wollten auf diese Art die Tapeten von den Wänden lösen.
Um Strom erzeugen zu können braucht man einen Generator, eine Art großen Fahrraddynamo. Wie beim Fahrrad auch, muss dieser angetrieben werden – wir brauchen also etwas, was sich dreht. Diese Drehbewegung, oder auch Rotation genannt, könnten wir dann für den Antrieb des Generators nutzen. Nehmen wir fürs erste einfach ein kleines Spielzeugwindrad. Wenn da der Wind durchgeht, oder man draufpustet dreht es sich. Und das Pusten könnte ja nun unser Dampf übernehmen. Der bewegt sich ja schließlich schonmal … aus dem Topf heraus nämlich.
So, jetzt könnte man diese Windmühle über den Topf halten und gucken was passiert. Ich probiere das jetzt nicht aus, weil es Energieverschwendung wäre, aber ich schätze mal, dass da nicht allzuviel passiert. Warum? Ganz einfach. Wir haben zuviele Verluste!
Verluste heißt ganz einfach, dass wir einen Haufen Energie in unseren Prozess stecken und damit auch etwas bewirken (wir erzeugen Dampfblasen), aber die Wirkung verpufft ganz einfach, weil wir sie unkontrolliert in alle Richtungen wirken lassen. Wollen wir die Power des Dampfes nutzen, müssen wir ihm eine Richtung geben. Wir dürfen ihm also nur noch ein Schlupfloch lassen, durch das er sich durchquetschen muss wenn er seinen Topf verlassen will. Und verlassen muss er den Topf ja, weil er so viel Platz braucht, nicht wahr? Tja, und vor dem Schlupfloch lauern wir dann mit unserer kleinen Windmühle. Das muss ich wieder nicht ausprobieren, denn ich weiß genau, dass sie sich drehen wird.
Aber ausprobieren kann man das durchaus, wenn man den Kochtopf durch einen Wasserkocher oder einen Teekessel ersetzt, denn die haben ja schon eine kleine Ausgussöffnung aus der es rausdampft.
Wir haben jetzt den ersten Schritt getan und angefangen unsere Verluste zu verringern, indem wir einen Dampfstrahl erzeugt haben. Ganz nebenbei haben wir soeben den Vorläufer der Düse erfunden. So eine Düse ist ja eigentlich auch nur ein kleines Loch (eine Querschnittsverengung), ist aber viel ausgefeilter als unser Beispiel. Bei uns zerplatzt oder zerfasert der Dampfstrahl ja nach wenigen Zentimetern wieder zu Wölkchen. Also einen Dampf-Laserstrahl haben wir so jedenfalls nicht erzeugt, und wir haben da immer noch große Verluste. Aber jetzt sind es schon „Düsenverluste“. Das ist also technisch schon wesentlich anspruchsvoller geworden.
Nun dreht sich also unser Windrädchen, und dass könnte es sicher sehr lange tun, denn so ein Liter Wasser braucht eine ganze Weile um komplett zu verdampfen. Können wir da jetzt einen Fahrraddynamo anschließen und unsere erste Glühlampe zum Leuchten bringen? Hm, wahrscheinlich nicht.
Wieder einmal sind die Verluste schuld. An unserer vorsintflutlichen Düse können wir erstmal nichts weiter machen, aber unser Windrad läuft auch nicht gerade verlustfrei. Wenn der Dampfstrahl auf die Windmühlenflügel trifft und sich das ganze Teil dreht, dann verwirbelt es unseren eh schon mickrigen Strahl sogar noch und eine ganze Menge unseres Dampfes wird so vom Windrad nach außen weggepustet und bildet wieder nutzlose Wölkchen.
Es wäre also clever, so eine Art Röhre um unser Windrädchen zu bauen, damit sich dieser ganze mühsam hergestellte Dampf auch wirklich komplett durch die Flügel des kleinen Propellers quetschen muss. Denn, immernoch: Der Dampf „will“ ja ins Freie (also eigentlich will er dahin, wo der Umgebungsdruck kleiner ist als sein eigener) und wir wollen ja seine ganze Energie nutzen die wir da so mühsam reingesteckt haben.
Also muss er durch die Düse, durch die Röhre, durch die Propellerflügel.
Glückwunsch! Wir haben soeben die Turbine erfunden. Damit haben wir aber auch eine neue Art von Verlusten entdeckt. Wir haben jetzt Spaltverluste (man kann die Röhre ja nicht so eng machen, dass die Flügel dran schleifen, also schlüpft da immer noch ein wenig Dampf durch), und wir haben die Verwirbelungsverluste, denn auch in so einer Röhre wirbelt der Dampf ja rum, statt anständig die Flügel anzustoßen. Nur sind diese Verluste wesentlich kleiner, als die bei unserem Vorgängermodell. Wir haben also einen technischen Fortschritt zu verzeichnen.
Reicht es denn jetzt für unseren Fahrraddynamo? Möglicherweise ja. Das würde bedeuten, dass wir jetzt eine mickrige 5 Watt-Funzel zum Glimmen bringen könnten. Aber die Energie, die wir da reinstecken würde wahrscheinlich locker ausreichen um z.B. zehn 100 Watt Glühlampen zum hellen Strahlen zu bringen. Also läuft da noch was schief.
Es sind (wie immer) die Verluste. Es sind ja nicht nur unsere halbwegs minimierten Verluste bei der Dampfausnutzung, es geht auch um die Energieverluste in unserem Wasserkocher, der ja Wärmeenergie einfach so an seine Umgebung abgibt. Es geht auch um sämtliche Verluste, die überall auftreten wenn sich irgendwo was gelagert dreht. Diese haben wir sowohl bei unserer „Turbine“, als auch bei unserem „Generator“. Wo sich was dreht reiben halt Bauteile aneinander. Das kann man nicht verhindern, sondern nur verringern. Und naja, aufwändige Schmier- und (Dreh-)Lagersysteme passen nicht in unser Hobbykraftwerk.
Dazu kommt noch, dass der Rotor unseres „Generators“ ja nicht einfach nur drehen soll, sondern, dass am Ende elektrische Leistung abgefragt wird. Ganz einfach gesagt erzeugt der Rotor (also das von uns angetriebene Teil) im „Stator“ (dem stillstehenden Außenteil) des Generators elektrische Power, die dann von einem angeschlossenen „Verbraucher“ wegschnabuliert werden kann. Je mehr „Futter“ der „Verbraucher“ haben will, desto größer muss die Leistung der den Generator antreibenden Turbine sein. Das heißt, um es sich vorstellen zu können: Je größer die Verbraucher, desto größer ist ihre Wirkung als Bremser für unser sich drehendes System.
Sie setzen unserer kleinen Konstruktion einen Widerstand entgegen. Dieser Widerstand plus die diversen Reibungsverluste können unser Windrädchen (also unsere Turbine) zum Stillstand bringen.
Um daran etwas zu ändern müssen wir erstmal unsere Verluste in den Griff bekommen, die Ausnutzung der Energie unseres Dampfes vergrößern, und überhaupt aus unserer Versuchsanordnung endlich mal ein System aufeinander abgestimmter Teile machen.
Mit den Einzelteilen beschäftige ich mich im Anschluss an diesen kleinen Exkurs.
