spiraleTEIL D

WIRBELSTRÖMUNG (III)


Nachdem wir die Spirale in ihren verschiedensten natürlichen Formen betrachtet haben, widmen wir uns nun ihren energetischen und technischen Aspekten.


Der Wirbelsturm, so heißt es, zieht ununterbrochen neue Luftmassen in sich hinein und gewinnt seine Energie auf eine noch nicht völlig verstandene Weise aus der Umwandlung des Aggregatzustandes des Wassers, das mit diesen Luftmassen in sein Inneres hineingezogen wird. Ein Wirbelsturm hat somit einen Stoffwechsel. Obgleich er als System auf seinem langen Weg identisch bleibt, besteht er doch am Ende seiner Bahn aus einer anderen Substanz als zu Beginn. Daher ist der Wirbelsturm ein offenes und kein geschlossenes System, denn er steht mit seiner Umgebung in intensiver Wechselwirkung und ist in seiner Existenz darauf angewiesen, von ihr seine Substanz und damit auch seine Energie zu erhalten. (170)

Es fallen viele Parallelen zum Synergetischen Modell auf, denn auch dieses besitzt einen Stoffwechsel. Genauere Erklärungen fehlen aber auch weiterhin, und es ist ja gerade diese ,noch nicht völlig verstandene' Art der Energieumwandlung, die uns im Rahmen der vorliegenden Arbeit so sehr interessiert.

Auch die Energieübertragung zwischen Meer und Atmosphäre findet in ähnlicher, synergetischer Form statt. Gebiete von Luftwirbeln, in denen Luft von der Wasseroberfläche aufwärts gesogen und 10 - 15 km hochtransportiert wird, waren die Zonen, in denen die GATE-Expedition im Jahre 1974 die dort stattfindenden Energieprozesse gemessen hat: Während im Durchschnitt von der Meeresoberfläche 180 - 200 Watt pro Quadratmeter geliefert werden, erreicht dieser Energiefluß in den Wirbelzonen Werte bis zu 100.000 Watt pro Quadratmeter! (171)

Weitere Kräfte machen sich hier bemerkbar: Noch in den sechziger Jahren glaubten die Geophysiker, daß die in der Südsee entstehenden 3.000 bis 5.000 Riesenwirbel pro Jahr durch Wettereinflüsse und Beben auf dem Ozeangrund entstünden. Jetzt weiß man, daß Sturm und Meeresbeben nur sekundäre Erscheinungen gewaltiger Kraftströme in der Erde sind. Doch noch lassen sich diese Energiefelder nicht mit Meßdaten erfassen, und deshalb werden die Ergebnisse zurückhaltend behandelt (172).


Da auch ich hier nicht viel weiter kam, versuchte ich als nächstes festzustellen, wo und wie das Wirbelgeschehen in der Praxis bereits zu technischer Anwendung gelangt ist, und ob es dabei auch schon energetisch relevante Ergebnisse gegeben hat ...und fand so einiges. An vorderster Stelle sei der Österreicher Viktor Schauberger erwähnt, dessenvon mir verfaßte und 1981 erstmals veröffentlichte Kurzbiographie einen sehr zu empfehlenden Einführungstext darstellt.

Hier, im Rahmen der Analyse des Synergetischen Modells, geht um eine der zahlreichen Erfindungen Schaubergers, die Wendelrohre. Denn diese werden schon 1952 einem wissenschaftlichen Versuch unterzogen.

Wendelrohr nach Schauberger

Wendelrohr

Die Ergebnisse der Experimente von Prof. Dr. Franz Pöpel am Institut für Gesundheitstechnik der Technischen Hochschule Stuttgart an Wendelrohren nach Schauberger wurden allerdings erst 1977 veröffentlicht. (173) Trotzdem bilden diese Ergebnisse eine wichtige Quelle für jede Analyse des Wirbelgeschehens (sie haben allerdings nichts mit den auf dem Markt befindlichen Wendelrohr-Heizpatronen zu tun).

Prof. Pöpel hatte anfangs die Meinung vertreten, daß "die Untersuchung mit derartigen Rohren keine für die Technik brauchbaren Ergebnisse bringen werde". Der gleichen Meinung war auch Ministerialrat Kumpf, der den Versuchen beiwohnte, da Bonn einen Beitrag zu den Untersuchungskosten geleistet hatte. Man war an der wissenschaftlichen Untersuchung dieser Rohre nur insofern interessiert, "als damit den unqualifizierten Angriffen Schaubergers, die vor allem das Gebiet der Wasserwirtschaft betreffen, endlich ein Riegel vorgeschoben werde." Dachte man zumindest.

Diese Zitate sprechen für sich. Die Versuchsergebnisse allerdings auch, denn Schauberger wurde mehrfach bestätigt. Prof. Pöpel stellte nämlich experimentell fest, daß:

die gewendelten Rohre eine größere Wassermenge fördern als gerade Rohre,

sich verschiedene Rohrmaterialien verschieden auswirken,

Kupfer die Entstehung des einspulenden Fließvorganges mehr begünstigt als Glas,

sich eine Fließbewegung ausbildet, die entlang einer Raumspirale verläuft und gleichzeitig um die Achse dieser Raumspirale rotiert,

diese Erscheinungen nur durch zentripetal wirkende Kräfte hervorgerufen werden, die größer als die Zentrifugalkräfte sind,

die Zentrifugalkräfte beim Durchfließen des Rohres abnehmen, wohingegen die diese überwindenden Zentripetalkräfte stets die gleiche Größe haben und demzufolge gegenüber den Zentrifugalkräften in ihrer Auswirkung allmählich zunehmen,

durch die Einspulung Saugkräfte auf das Wasser ausgeübt werden, die zu der beobachteten Verminderung der Reibungshöhe führen,

die Synchronisierung der kinetischen Energie des fließenden Wassers mit der Wendelung und Drallung der Rohre mehr Energie erzeugt als für die Überwindung der erreichten Reibungsverluste benötigt wird,

die sonst in geraden Rohren auftretenden Reibungsverluste beim Wendelrohr unter ganz bestimmten Voraussetzungen auf 0 abnehmen können, und

bei der Synchronisierung der Fließgeschwindigkeit des Wassers mit der Raumspirale des Wendelrohres tatsächlich eine Abnahme der Reibungshöhe bis auf 0 beobachtet wurde!


Prof. Pöpel änderte daraufhin seine Meinung und stellte schriftlich fest, daß diese Methode "eine revolutionierende Bedeutung auf den Gebieten der Behandlung und Förderung flüssiger und gasförmiger Medien" haben wird. Dies war am 15.03.1952 (und damit genau eine Woche vor meiner Geburt!) - aber warum wurde dann anschließend jahrzehntelang nichts weiter getan?

Als Viktor Schaubergers Sohn Walter die o.g. Versuchsergebnisse 1977 endlich veröffentlichte, mußte er sich eingestehen, daß sich in der Zwischenzeit gerätetechnische Verbesserungen ergeben hätten, die die Benutzung von kompliziert herzustellenden Wendelrohren zur Erzielung der gewünschten Effekte inzwischen überflüssig gemacht hätten (174). An den revolutionären Ergebnissen der Versuche ändert dies jedoch nichts.


Es ist an dieser Stelle sinnvoll, an das Wirbelrohr von Ranque und Hilsch zu erinnern, auch Vortexrohr genannt, das einen eintretenden Massenstrom in einen warmen und einen kalten Teilstrom aufspaltet. Der französische Erfinder Georges Joseph Ranque hatte diesen Effekt bereits 1928 beschrieben (175), doch dann er geriet in Vergessenheit und wurde erst 1945 durch den deutschen Physiker Rudolph Hilsch in Erlangen wiederentdeckt und systematisch untersucht. (176)

Zuerst glaubte man, daß die Luftmoleküle aufgrund ihres temperaturabhängigen Volumens durch die Zentrifugalkraft sortiert werden. Demnach müßte sich aber die kalte Luft, als die dichtere, an der Außenseite des Rohres sammeln - tatsächlich ist es aber genau umgekehrt. Daher geht man heute davon aus, daß die Sortierung nach der Geschwindigkeit erfolgt, da es aufgrund der statistischen Verteilung der Wärmebewegung im Gas schnellere und langsamere Moleküle gibt. Aufgrund der unterschiedlich großen Zentrifugalkräfte sammeln sich die schnelleren, also wärmeren Moleküle an der Außenseite, und die langsameren und somit kälteren im Innenraum. Doch trotz zahlreicher Ansätze und Versuche, den Effekt physikalisch zu verstehen und darauf aufbauend Wirbelrohre mit ,optimalen' Separationseffekten zu konstruieren, ist dies bislang noch nicht vollständig gelungen. Wirbelrohre werden daher auch heute noch weitgehend aufgrund empirischer Erfahrungen ausgelegt und betrieben.

Während eines Besuchs bei Herrn Bernhard Schaeffer in Berlin führte mir dieser ein Wirbelrohr vor. Er schloß das Objekt, das im Grunde aus nicht mehr als zwei Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser bestand, an einen kleinen Luftkompressor an und zeigte mir, was ich später auch schriftlich von ihm bekommen sollte:

Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch

Wirbelrohr
nach Ranque und Hilsch

In ein zylindrisches Rohr (A) wird durch eine Düse (B) tangential Luft eingeblasen. Die Luft fängt an, in dem Rohr zu rotieren, ein Wirbel entsteht. Auf der Seite (C) ist das Rohr soweit verschlossen, daß nur ein Teil der eingeblasenen Luft austreten kann. Der Rest wird gestaut und tritt durch das direkt neben der Eintrittsdüse angesetzte dünnere Rohr (D) aus. Ist diese Düse richtig justiert, dann treten bei den Luftströmen, die bei (C) und (D) austreten, erhebliche Temperaturunterschiede auf. Bei (C) tritt der Teil der Luft aus, der sich in dem Rohr außen hält, bei (D) der Teil, der gegen die Fliehkraft nach innen auf den kleineren Radius von (D) gedrückt wird (177). In der Abbildung habe ich die Struktur und den spiraligen Luftstrom stark vereinfacht.

Die Temperaturen, die ich persönlich nachmessen konnte, betrugen bei (C) plus 60°C, und bei (D) minus 40°C, während die Einlaßtemperatur der komprimierten Luft bei + 20°C gelegen hatte! Höhere Temperaturunterschiede kann ich aus eigener Beobachtung nicht bestätigen, was jedoch nicht heißen soll, daß diese - wie verschiedentlich behauptet wird - nicht erreichbar seien. Aber auch so hat mich diese Technik überzeugt, denn ich glaube nicht, daß es eine einfachere Methode gibt, so schnell einen derartigen Temperaturunterschied von 100° zu erreichen!

Das Beispiel des Wirbelrohres zeigt einen deutlichen Aspekt der Wechselwirkung zwischen Wirbeln und Temperatur. Ich möchte daher noch einige Passagen aus dem Aufsatz Schaeffers zitieren, in welchem er das obige Geschehen ausführlicher beschreibt:

Geht man nun von der klassischen Vorstellung (der thermodynamischen Hauptsätze, Anm.) aus, so müßte die Strömung des Wirbelringes (s.o.) durch die Zähflüssigkeit der Luft (= Viskosität) gebremst werden und mit dem Wirbelring nach kurzer Entfernung verschwinden. Dies ist aber ganz offensichtlich nicht der Fall. (...) Um diese beobachtete Erscheinung erklären zu können, hat Prof. Victor P. Starr den Begriff ,Negative Viskosität' eingeführt."


Im Fall des Wirbelrohrs stellt Schaeffer die Frage, "ob schnelle und langsame Moleküle in einem Wirbel möglicherweise auch ein unterschiedliches ballistisches Verhalten zeigen, wodurch dann eine Temperaturtrennung entstehen müßte?" Im Vergleich zum Diagramm der ,Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung' ähnelt die Kurve der Temperaturen beim Austritt aus dem Wirbelrohr einer Art ,Phasenverschiebung' dieser Temperaturverteilung, oder anders ausgedrückt: die Gaußsche Glockenkurve wurde umgedreht und hat nun die Form eines Kelches.

Die ,Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung' gibt an, wie viele Moleküle prozentual eine jeweilige Geschwindigkeit innehaben. Während in der ,normalen' Luft nur wenige Moleküle mit niedrigerer Geschwindigkeit (A = kälter) und nur wenige mit höherer Geschwindigkeit (B = wärmer) herumfliegen, finden wir bei der aus dem Wirbelrohr austretenden Luft viele Moleküle mit niedrigerer Geschwindigkeit und viele Moleküle mit höherer Geschwindigkeit (die gestrichelte Linie stellt die ursprüngliche Geschwindigkeitsverteilung dar). Dies heißt aber nichts anderes, als daß die Moleküle nach ihrem Durchgang durch das Wirbelrohr nicht mehr im ,Zustand größtmöglicher Unordnung' miteinander vermischt sind, sondern daß sie dementgegengesetzt durch das Wirbelgeschehen in einen Zustand der ,größtmöglichen Ordnung' gebracht worden sind.

Wärmeverteilung durch Wirbelrohr

Wärmeverteilung durch Wirbelrohr

Schaeffer fährt fort: "Die Bewegung eines Moleküls in einem Wirbel setzt sich zusammen aus der ungeordneten Molekularbewegung und der geordneten Wirbelströmung. Mit der sich daraus ergebenden Gesamtbewegung unterliegt jedes Molekül Kräften, die sich aus den Erhaltungssätzen von Energie, Impuls und Drehimpuls ergeben (Flieh- und Corioliskräften). (...) Ein laufender Wirbel wirkt auf die ungeordnete Molekularbewegung in der Weise ordnend, daß er sich dabei verstärkt, zusammenzieht und abkühlt." Der Autor weist anschließend auf die Erfahrungen im experimentellen Gebiet hin, wobei er die Kühleffekte an Karmanschen Wirbelstraßen und Wasserwirbeln erwähnt, Sog- und Steigeffekte, sowie Mischungs- und Entmischungseffekte an künstlich erzeugten Wirbeln.

Trotz seines Versprechens, mir ein Exemplar seiner selbstgefertigten Wirbelrohre für eigene Versuche und Anwendungen in Syrien zur Verfügung zu stellen - im Gegenzug für meine Hilfe beim Dachbau seiner Werkstatt in Berlin -, erhalte ich dieses Rohr nie. Leider hat Herr Schaeffer mir gegenüber auch noch andere Versprechen gebrochen, sodaß wir inzwischen keine freundschaftliche Beziehung mehr haben.

Doch zurück zur Technik. Am Institut für Fluid- und Thermodynamik der Universität Siegen erfolgten in Kooperation mit der University of British Columbia, Vancouver, zwischen Januar 1993 und Juni 1997 verschiedene Untersuchungen zur kompressiblen Strömung und Energietrennung im Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch. In Siegen beschäftigt man sich schon länger mit diesem Gerät - von 1987 bis 1998 wurden insgesamt 15 Studienarbeiten sowie eine Diplomarbeit über die unterschiedlichen Aspekte des Wirbelrohres geschrieben.

Professionelle Wirbelrohre können Temperaturen von - 45°C und + 110°C erreichen. Am Institut für Flugwesen in Kuibyschew (UdSSR) wurde bereits 1974 eine Kleinstkälteanlage entwickelt, die ebenfalls auf dem Wirbeleffekt der Energietrennung eines Preßgases beruht und kleine Körper sogar auf - 120°C abkühlen kann. Eine Temperatur von - 100°C wird schon in weniger als einer Minute nach Einschalten der Anlage erreicht. (178)

Wirbelrohranlage zur Erdgastrocknung

Wirbelrohranlage
zur Erdgastrocknung

Heute werden Wirbelrohre insbesondere zur Kühlung von hitzeerzeugenden Prozessen wie Löten, Schleifen, Schneiden und Trennen sowie in der Pneumatik zur lokalen Kühlung oder Erwärmung eingesetzt. Neben internationalen Herstellern (USA und Kanada) werden in Deutschland Wirbelrohre von den Firmen Eputec in Kaufering (3 Größen), und der Karger Industrieprodukte in Dietzenbach (4 Modelle) angeboten (Stand 2006). Als erstes Unternehmen, das Wirbelrohre für den kommerziellen Einsatz herstellte, gilt die seit 1961 bestehende Firma Vortec in Cincinnati, Ohio (10 Modelle). Bekannt ist auch die britische Firma Turned Parts Ltd., die seit 1975 jährlich etwa 1.200 Wirbelrohre herstellt, die in erster Linie für die Kühlung von Schutzanzügen in Stahlwerken eingesetzt werden (179). Schon etwas größer ist die Wirbelrohranlage der Thyssengas GmbH in Gronau - Epe, die als Massenseparator (Zyklon) zur Erdgastrocknung genutzt wird.

Anmerkung 2009: Da die Wirbelrohre der Firma Karger anscheinend nicht mehr auf dem Markt erhältlich sind, gibt es nur noch die Eputec GmbH im bayerischen Kaufering als Bezugsquelle - ein innovatives Unternehmen, das moderne Lösungen der Druckluft- und Farbspritztechnik vertreibt, sowie für punktuelle Kühlung in der Industrie Wirbelrohre und Druckluftkühler anbietet. Hersteller der in drei Größen angebotenen Rohre scheint das 1983 gegründete US-Unternehmen Exair in Cincinnati, Ohio, zu sein.

Die Exair Vortex Tubes bestehen aus Edelstahl und sind für eine Temperaturdifferenz von – 46°C bis + 127°C ausgelegt, bei Durchflußraten von 28 bis 4.248 l/min. und einer Kälteleistung von 2.571 Kcal/h. Auf den Seiten der Eputec GmbH werden die technischen Details sehr ausführlich präsentiert.

Übrigens haben die beiden Science-Fiction Autoren Frederik Pohl und Cyrell M. Kornbluth dem Wirbelrohr ein kleines Denkmal gesetzt – in ihrem gerühmten Roman ‚Eine Handvoll Venus und ehrbare Kaufleute’. Bei dem Plan zur Besiedlung der Venus wird eine Lösung für die dort herrschende hohe Temperatur gesucht und gefunden. Zwar wird die technische Funktionsweise des Wirbelrohres nur angerissen, ich habe mich trotzdem sehr darüber gefreut, sie in diesem Roman von 1952, meinem Geburtsjahr, wiederzufinden (179a):

„Außerdem hatte die Abteilung Development ein bemerkenswertes kleines Ding entdeckt, das sie ‚Hilsch-Hochfrequenzröhre’ nannten. Ohne jede Energie konnte man damit die Häuser der Pioniere kühlen, indem man die Tornados auf der Venus ausnutzte. Es war eine einfache Vorrichtung, die seit 1943 herumlag. Bislang hatte niemand Verwendung dafür gehabt, weil niemand bisher mit derart heißen Winden zu tun gehabt hatte.“


Während die Vortexrohre eine glatte Wandstruktur haben, stellte die Firma Viessmann Werke KG in Allendorf/Eder eine zeitlang in amerikanischer Lizenz Turbotec-Rohre aus rostfreiem Edelstahl her, die in Wärmetauscher-Systemen eingesetzt wurden. Die spiralige Verformung der Rohre vergrößerte die Oberfläche und erhöhte außerdem durch eine erzwungene Drallströmung die Strömungsgeschwindigkeit an der inneren und äußeren Rohrwandung. Dadurch ergaben sich gegenüber Glattrohren ein verbesserter Wärmedurchgang sowie eine höhere Wärmeleistung bei kompakterer Bauweise des Wärmetauschers. Außerdem verhinderten diese Rohre eine Entmischung des Mediums wahrend des Transports, während die Turbulenz in den Turbotec-Rohren gleichzeitig einen Selbstreinigungseffekt bewirkte, der ein Verkrusten der Heizflächen nahezu ausschloß. Mir ist nicht bekannt, warum man dieses Produkt später wieder zurückzog.

Ein weiteres Unternehmen, das sich mit dieser Technik beschäftigte, war die Firma Eichelberg Metallwerke in Menden. Hier stellte man Drallrohre mit unterschiedlichen Durchmessern her, aus Kupfer, Stahl, Aluminium und Titan. Auch diese Rohre sorgten für turbulente Innen- und Außenströmungen und verbesserten die Wärmeübertragungsleistung im Vergleich zu Glattrohren erheblich. Doch auch hier wurde die Produktion inzwischen eingestellt.

Ich habe diese verschiedenen Rohre deshalb etwas ausführlicher dargestellt, weil hier ein äußerst wichtiger Unterschied zwischen Spirale und Spirale deutlich wird. Die Frage ist nämlich, ob die Spirale oder der Wirbel ein ,statisches' Maschinenelement darstellt - oder ob sie ,dynamisch' ist, wobei die spiralige Form erst aus und mit dem durchfließenden Medium geschaffen wird, wie es auch beim Wasserwirbel des Synergetischen Modells der Fall ist.


Das Wirbelgeschehen an sich finden wir ja auch bei Schiffs- und Luftschrauben, ebenso wie uns die Entwicklungsformen der Archimedischen Spirale wie Förderschnecke, Fleischwolf, Schneemobil usw. gut bekannt sind. Wir können der verwundenen Linie auch folgen, wenn wir eine Wendeltreppe betreten. Doch die Archimedische Spirale hat eigentlich gar nichts mit dem Wirbelgeschehen zu tun - jedenfalls nicht mehr, als daß sie die erstarrte Form einer naturgegebenen lebendigen Bewegung ist. Unser Augenmerk gilt dagegen der aktiven, dynamischen Spirale, und nicht ihren Bildnissen aus Holz, Eisen oder Plastik.


Ein exzellentes Beispiel für die 'lebendige Form' bildet das Unterwasser-Luftansauggerät, das ich in der nachfolgenden Abbildung dargestellt habe. Dabei handelt es sich um eines von mehreren Modellen, die im Laufe der Jahre hauptsächlich von Vertretern der Schauberger-Schule entwickelt worden sind, und die der Anreicherung von Seen und Flüssen mit Sauerstoff dienen.

Auf einem abgedichteten Motor ist ein Gefäß von der Form eines unteren Ei-Drittels montiert. Wird dieses Gefäß nun in Rotation versetzt, so entsteht ein Wasserwirbel, der seinerseits von oben Luft ansaugt. Diese Luft vermischt sich dann tief unterhalb des Wasserspiegels an der Innenfläche des rotierenden Gefäßes mit dem Wasser. An dieser Oberfläche wird die Luft in mikroskopische Bläschen zerlegt. Bei einer russischen Version des Geräts erhalten diese Luftbläschen durch eine Vibration eine langanhaltende, pulsierende Bewegung und durchlaufen in dieser Weise die Wassermassen. Dadurch bleiben die Luftbläschen wesentlich länger im Wasser und gewährleisten eine höhere Anreicherung mit Sauerstoff, im vorgegebenen Beispiel  zu etwa 70 %. Ein ähnliches  Modell - allerdings mit einem Propeller statt der rotierenden Schale - wurde von dem dänischen Wissenschaftler Arne H. Paulsen entwickelt.  (180)

Versuche zur Wasserreinigung, die mit dem Wirbelapparat zwischen Oktober 1968 und März 1969 am Institut för Biologisk Teknik in Stockholm durchgeführt wurden, zeigten, daß das Einwirbeln von Abwasser in Bezug auf den Bakterienabbau ein 15- bis 18-fach besseres Ergebnis erbrachte als beim einfachen Durchblasen mit Sauerstoff (181). Diese Methode entspricht daher einer ,Bio-Logischen' Lösung für das Problem mangelnden Sauerstoffs in Flüssen und Seen, ebenso wie für das ständig zunehmende Abwasserproblem. Dasselbe Wirbelprinzip wird auch für die Abgasreinigung eingesetzt. (182)

Hyperboloid-Rührwerk

Hyperboloid-Rührwerk

Die deutsche Firma Invent GmbH in Erlangen-Tennenlohe bietet ihrerseits ein System an - ebenfalls für die biologische Abwasserreinigung - das sozusagen das Spiegelbild des Schauberger-Modells ist, denn hier wird ein Hyperboloid-Rührwerk eingesetzt, dessen Wasserverwirbelung ebenfalls zu hohen Sauerstoffausnutzungsgraden führt, und ein Forschungsergebnis der Universität Erlangen-Nürnberg ist.


Doch es gibt noch viele weitere Umsetzungen der Wirbelphänomene, bekannt sind mir die folgenden:

Dynapur-System: Zur Abscheidung von Ölnebeln entwickelte die Firma Industriebau AG in Zürich eine rotierende Trommel. Die ölgeschwängerte Luft verwirbelt miteinander, wobei sich auch die feinsten Öltröpfchen durch Kollisionen rasch vergrößern und im Filtermaterial abscheiden. (183)

Das Vortex-Thermometer der Firma Bendix Friez aus Baltimore ist ein spezielles Thermometer zur Messung der Luft- bzw. Außentemperatur sehr schnell bewegter Körper wie z.B. Flugzeugen. Bei konventionellen Thermometern stellt sich durch die ,dynamische Erwärmung' nämlich eine überhöhte Temperaturmessung ein. Das Vortex-System kompensiert die durch Reibung und Kompression bedingte Temperaturerhöhung durch eine mit einer Schraubspindel erzeugte Wirbelbildung, die eine Abkühlung zur Folge hat. (184)

Über den von James Yen vorgeschlagenen Tornadoturm habe ich bereits in Teil C unter ,Windenergie' berichtet. Gegenüber windnutzenden Konstruktionen mit begrenztem Rotorwirkungsgrad soll hier eine höhere Energieausbeute möglich sein. Da bereits Windtunnel-Experimente mit Modellen stattgefunden haben, ist zumindest Yen davon überzeugt, daß Tornadomaschinen von 100 und sogar 1.000 MW Leistung gebaut werden könnten. (185)

Seit 1910 produziert die Firma Nilfisk AG Zyklon-Staubsauger. In den Werbetexten der Firma heißt es, "Nilfisk hat Jahr für Jahr an seinen Staubsaugern viele Details verbessert. Das Nilfisk-Prinzip allerdings blieb unverändert, weil es nicht zu verbessern ist." (186) Inzwischen hat James Dyson (nach über 1.000 Prototypen!) das Prinzip durch eine Doppelzyklon-Technologie doch weiterentwickelt - wobei er außerdem auch noch auf den anfälligen (und teuren) Staubbeutel verzichtet hat. In diesem Staubsauger sollen sich die Luftströme mit einer Geschwindigkeit von fast 1.500 km/h bewegen, was die Schallgeschwindigkeit übertreffen würde und mir daher nicht ganz glaubhaft erscheint (187). Ich selbst besitze jedenfalls seit gut einem Jahr einen ,Dyson' und bin sehr zufrieden damit. Das Gerät wird inzwischen - mehr oder minder stark abgewandelt - auch von anderen Anbietern nachgebaut.

Bereits 1972 stellte das Wissenschaftsmagazin Scientific American ein Kohle-Vergasungssystem vor, das mit einem sogenannten Cyclone Separator ausgerüstet ist (188). Seit einigen Jahren wird auch in Deutschland bei der Kohlevergasung mit dem sogenannten Wirbelschichtverfahren gearbeitet, ich weiß allerdings nicht, ob es sich dabei um das gleiche System handelt.

Eine naßchemische Variante bildet der Hydrozyklon, der zur Trennung verschiedener Materialarten genutzt wird. Der Trenneffekt dieses Apparats beruht auf den unterschiedlich großen Zentrifugalkräften, die auf Teilchen unterschiedlicher Masse wirken. Die vermischten Substanzen werden tangential eingeführt und bewegen sich dadurch zwangsweise spiralförmig als Primärwirbel entlang der Wandung zum sich verjüngenden Ende des Hydrozyklons. Aufgrund der starken Querschnittsverengung wird der Hauptteil des Volumenstroms nach oben umgelenkt und bildet einen Sekundärwirbel aus, der den mit Luft gefüllten Wirbelkern umkreist und den Zyklon dann durch die Überlaufdüse verläßt. Damit erreicht man eine um mehrere hundert Mal größere Durchsatzleistung als bei dem sogenannten Schwimm-Sink-Verfahren, das sonst zum Trennen von Materialien genutzt wird. Eine weitere Umsetzung bilden die Drall-Tropfenabscheider (DTA) der Körting Hannover GmbH.  (189)

Energievernichtung

Energievernichtung

Eine weitere Anwendung des Wirbelgeschehens fand ich in der Methode, wie man auf intelligente Art und Weise mit überschüssiger potentieller Wasserenergie umgeht. Wie in der Abbildung gezeigt wird dabei das Oberwasser tangential in eine senkrechte Röhre eingespeist, es wirbelt hinunter und schießt - ebenfalls tangential - wieder hinaus. Damit wird die Zerstörung des Tiefbeckens durch die Energie von fallendem Wasser vermieden.

Ein sehr weites Feld für Wirbelgeräte ist auch der Bereich der qualitativen Verbesserung von Leitungswasser. Es erstreckt sich von direkt auf den Wasserhahn zu schraubenden Aufsätzen bis zur sogenannten Levitationsmaschine nach Wilfried Hacheney, bei der Viktor Schaubergers Grundsätze in die Entwicklung eines Großgeräts eingeflossen sind, in dem das Wasser bei hoher Geschwindigkeit in einer genau definierten Strömungsbahn hoch und wieder hinuntergewirbelt wird. Deswegen muß diese Maschine auch sehr stabil gebaut werden, die Funktion erfolgt in geschlossenem Zustand - und das Ding ist verdammt laut!  (190)

Dem Synergetischen Modell recht ähnlich - wenn auch sehr viel kleiner - sind die an der TU Berlin entwickelten vollautomatischen Zuchtgefäße für Bakterien, die in einem Bakterientoximeter zum Einsatz kommen, mit dem giftige Wasserinhaltsstoffe erfaßt werden können. Diese Zuchtgefäße drehen sich zwar nicht selbst, sie besitzen aber einen Rührmagnet, der die Strudelbildung im Fluid verursacht - und eine Überlaufrinne, aus der die Proben kontinuierlich in die Meßzelle gelangen. Hier diente die Strudelbildung der optimalen Durchmischung der Selektivnährlösung mit der Bakterienzucht. Ich habe diese Systeme während meiner mehrjährigen Vertriebstätigkeit bei der Firma Laser and Analytical Research (LAR), einer TU-Ausgründung, kennengelernt.

Ein weiteres System, das mit rotierenden Flüssigkeiten arbeiten soll, ist die ,whirlpower'-Maschine von David G. Dennard sein, die ich allerdings nicht ganz verstanden habe.  (191)


Fast genau das Gegenteil der o.g. rotativen ,Energievernichtung' - sowie ausgesprochen verständlich und nachvollziehbar - ist die Wasserwirbeltechnik, die der geniale österreichische Diplomingenieur Franz Zotlöterer aus Obergrafendorf bis zur Produktreife entwickelt hat.

Sein Gravitationswasserwirbelkraftwerk ist ein völlig neuartiges Flußwasserkraftwerk für Fallhöhen bereits ab 0,7 m, bei dem durch rein strömungstechnische Maßnahmen Energie erzeugt und gleichzeitig die Wasserqualität verbessert wird. Eine einfache, selbstdurchflußregelnde Turbine mit einem Wirkungsgrad von über 80 % entzieht dem Wasserwirbel Rotationsenergie und treibt einen Generator an. Der Gesamtwirkungsgrad der robusten, einfachen und wartungsarmen Konstruktion liegt in der Größenordnung herkömmlicher Wasserkraftanlagen.

Und endlich kann man auch mal jemanden von Herzen beglückwünschen: Die Projektidee (pdf) von Herrn Zotlöterer - hier am Beckenrand seiner Turbine - wurde nämlich mit der Nominierung zum österreichischen Wasserpreis Neptun2005 ausgezeichnet, und die Projektumsetzung wurde von der Marktgemeinde Obergrafendorf und von der niederösterreichischen Landesregierung unterstützt. Der erste Prototyp läuft seit September 2005 am öffentlichen Stromnetz. (192)

Herr Zotlöterer vor der Turbine

Herr Zotlöterer vor der Turbine

Ich glaube, daß diese Umsetzung uns allen etwas sagen kann: Nicht an Universitäten oder in finanziell wohlausgestatteten Forschungsinstituten werden neue Ideen geboren - und unterstützt werden sie weder von EU-Behörden noch von Landesministerien. Bliebe eigentlich nur der Aufruf: "Raus auf's Land, Leute"!

Auf besonderen Wunsch der Leser veröffentliche ich hier noch ein Detailfoto des Rotors, der von oben in den Wasserwirbel angesenkt wird.

Im November 2007 ist Herr Zotlöterer mit seinem Kraftwerk Gewinner des Energy Globe Award Kärnten 2007 – und wird gleichzeitig für den Energy Globe Award Austria nominiert. Einen Monat später - anläßlich der Klimakonferenz in Bali – erfolgt der Spatenstich zum ersten Gravitationswasserwirbelkraftwerk außerhalb Europas. Außerdem erringt die Innovation den zweiten Platz beim Genius Award in Niederösterreich und gewinnt dort außerdem den Sonderpreis zum Schwerpunktthema ‚Umwelttechnologie & Erneuerbare Energie’.

Neben diversen Vorträgen und Besuchen wird Franz Zotlöterer zunehmend international aktiv, wobei man ihn für die Akzeptanz seitens seiner Landleute nur beglückwünschen  kann. Mitte 2008 bekommt das Gravitationswasserwirbelkraftwerk beispielsweise Besuch durch russische Delegationen - in Begleitung von Vertretern des österreichischen Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung! Man sollte sich so etwas bitteschön einmal hier in Deutschland vorstellen, wo die einzigen Wirbel, welche die zuständigen Umwelt-, Wissenschafts- oder Wirtschaftsminister anscheinend kennen, diejenigen sind, die beim Umrühren des Kaffees durch ihre Sekretärinnen entstehen...

Richtig los geht es dann im Juli 2009, als die ARGE Wasserwirbelkraftwerke Schweiz bzw. die Firma WWK Energie GmbH einen exklusiven Patentlizenzvertrag für die Schweiz abschließt. Eine Genossenschaft als Eigentümerin der Anlagen und der Betreiber WWK übernehmen damit auch die eigenständige Forschung und Weiterentwicklung sowie die Planung, den Bau und den Betrieb von kompletten Anlagen in der gesamten Schweiz. Technisch könnten Leistungssteigerungen bis zu 50 % realisiert werden – mit der Entwicklung eines neuen optimierten Rotors, einer verbesserten Strömungsführung (z.B. mittels einer automatischen Abflußloch-Größensteuerung), sowie eines weiter automatisierten und mit der Wassermengen- bzw. Fallhöhensteuerung kombinieren Frequenzwandlers. Aus meiner persönlichen Erfahrung kann ich außerdem nur dafür plädieren, die ganze Wanne strömungstechnisch zu optimieren. Es ist mehr als bemerkenswert, daß das System sogar ohne diese Optimierung schon so gut funktioniert.

Die Entwicklung in der Schweiz wird von dem selbständigen Bauingenieur Andreas Steinmann vorangetrieben – und die Umsetzung erfolgt über die o.g. Genossenschaft, die sieben Monate nach ihrer Gründung bereits 100 Mitglieder hat. Die Konzession für den Bau war Ende Juni erteilt worden, nur knapp 10 Monate nach der Einreichung des Gesuches beim Kanton!

Gravitationswasserwirbelkraftwerk im Bau (August 2009)

GWWK-Anlage im Bau
(August 2009)

Schon im Juli erfolgt dann der Spatenstich für das erste Wasserwirbelkraftwerk der Schweiz im Kanton Aargau. Mit dabei sind die Firmen FLS Biobau GmbH, das Ingenieurbüro Arnet sowie die Tree Engineering GmbH. Der Bau der neuen Anlage an der Suhre in Schöftland erfolgte dann in Rekordzeit, und Anfang November 2009 wird das 1,7 Tonnen schwere Rotor/Generator-System installiert. Anschließend beginnt der Probe-Betrieb.

Mit einer nutzbaren Wasserdurchflußmenge von 0,8 – 2,2 m3/s, einem Beckendurchmesser von 5,5 m und einer Fallhöhe von 1,4 m produziert die Anlage bis zu 15 kW elektrische Leistung, was einer Jahresproduktion von bis zu 90.000 kWh und ausreichend Strom für 20 - 25 Haushalte entspricht. Die Rotationsfrequenz der Turbine beträgt 0,35Hz (~ 21 U/min). Auf der Seite der GWWK gibt es einige interessante Video-Clips anzuschauen.

Zu diesem Zeitpunkt hat das (kleinere) österreichische Wirbelwasserkraftwerk insgesamt bereits über 167.000 kWh elektrische Energie erzeugt (seit Februar 2006).

Die Kraft des Wassers manifestiert sich wunschgemäß und dem Vorbild der Natur entsprechend in einem starken und beständigen Wirbel. Die Leistung von 8 kW – 15 kW kann nach nur wenigen Einstellungsänderungen sogar während der Trockenheit und bei niedriger Wassermenge erreicht werden.

An schönen Tagen pilgern inzwischen ganze Völkergruppen zum Wasserwirbelkraftwerk, dessen Umgebung dank der Unterstützung des örtlichen Natur- und Vogelschutzvereins erfolgreich renaturiert wurde. Auch Fische konnten schon beobachtet werden, die im Wasserwirbelkraftwerk aufgrund seines Höchstmaßes an ökologischer Durchgängigkeit auf- und abwärts geschwommen sind. Außerdem aktiviert die Sauerstoffzufuhr des Wasserwirbels die Selbstreinigungskräfte des Flußwassers, über die ich bereits ausführlich im Teil A berichtet habe (s.d.).

Inzwischen haben sich auch mehrere Familien und Gruppen sowie Firmen gemeldet, welche ein ganzes Kraftwerk kaufen resp. finanzieren möchten. Dies ist ganz im Sinne der Genossenschaft, denn „die Stromproduktion ist strategisch fundamental und gehört in die Hände der Einwohner der Schweiz.“

Diese verfügt über mehr als 40.000 potentielle Standorte für Wasserwirbelkraftwerke, allein 7.000 davon an stillgelegten alten Flußkraftwerksstandorten. Würde das gesamte Potential genutzt, dann könnten damit ohne größere Eingriffe in die Natur über 1 Mio. Haushalte (~ 2,3 Mio. Menschen) mit 100 %-igem Öko-Strom versorgt werden.

Vorerst sind 30 weitere Kraftwerke in der Schweiz geplant, 14 davon sind bereits beim Bund bzw. Swissgrid für die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV) angemeldet, und über 10 Wasserwirbelkraftwerke sind bereits in Planung. Sie alle sollen bis 2015 fertiggestellt sein. Mit großem Interesse verfolge ich auch die Weiterentwicklung und Optimierung der Gesamttechnologie - und insbesondere die des Turbinenrotors. Mehr darüber werde ich zu gegebener Zeit in Teil C, Kapitel Wasserenergie, präsentieren (siehe hier).

Inzwischen wurde der Name WWK Energie GmbH in VORTECO AG umbenannt, Hauptsitz der Firma ist der Technikpark Aargau in Windisch.


Nicht vergessen werden darf an dieser Stelle, daß sich auch schon Rudolf Steiner intensiv mit kreisenden und einwirbelnden Strömungen beschäftigt hat, wie sie teilweise noch heute im Rahmen anthroposophischer Herstellungsverfahren angewendet werden. Diese Arbeit wurde später von Wolfgang Schwenk am Institut für Strömungswissenschaften in Herrischried fortgesetzt. Allerdings war das damalige Motiv, den Saft der Wintermistel mit dem der Sommermistel in einer bestimmten Weise zu vermischen - nicht jedoch, Systeme zur Energieumwandlung zu finden. (193)


Diese vielen Beispiele für die Präsenz der Spiralen und Wirbel soll der Veranschaulichung dienen, nicht der Beweisführung. Diese kann nur durch eine praktische Erprobung des Synergetischen Modells erfolgen - auch wenn es schon einige physikalisch-theoretische Überlegungen gibt, die darauf hindeuten, daß dieses System auch tatsächlich in der beschriebenen Form funktioniert; ich werde darauf noch zurückkommen. Auf der Seite der Stromerzeugung bietet sich das Prinzip des Wasserwirbelkraftwerks jedenfalls an - als legitimer Bruder jener Maschine, die das Wasser hinaufwirbelt...


Um einen Eindruck davon zu vermitteln, um welche minimalen Temperaturunterschiede es sich beim thermischen Erklärungsansatz des Synergetischen Modells überhaupt handelt, werde ich die Wandlung von kinetischer Energie in thermische Energie in Form eines Rechenexempels darstellen:

Wenn in einem Wasserfall die Menge (m) aus der Höhe (h) herabstürzt, so wandelt sich die potentielle Energie [m·g·h] des Wassers in kinetische (Fall-)Energie um. Wenn wir nun annehmen, daß sich diese weiter in Wärme umwandelt, so beträgt letztere [Q=m·c·Dt] (in Kilokalorien), wobei (c) die spezifische Wärme darstellt und (Dt) die Falldifferenzwärmezunahme.

Durch die Umrechnung in Joule erhalten wir [m·g·h=j·m·c·Dt], wodurch dann [Dt=g·h] geteilt durch [j·c] 0,0023·h (in °C/m) ergibt.

Wir erkennen, daß die Erwärmung des Wassers in keiner Weise von der Menge abhängt, die hinabstürzt, sondern ausschließlich von der Fallhöhe. Bei den Victoriafällen z.B. mit ihrer einheitlichen Fallhöhe von 110 m ergibt sich somit eine Wärmezunahme des Wassers [0,0023°C/m · 110m] um 0,253°C, was wirklich äußerst gering ist.


Worauf ich mit diesem Rechenbeispiel hinaus will, ist folgendes:

Wenn sich bei künftigen Experimenten herausstellen sollte, daß der Wirbel im Synergetischen Modell eine Eigenverstärkung erlangt, wie sie bei Wirbeln schon durch Schaeffer, Bauer, Starr, Schauberger u.v.a. dokumentiert wurde, und wenn sich außerdem beweist, daß das Reservoir der Energieentfaltung in der Anergie der Umgebungstemperatur liegt, dann würde eine Abkühlung des hinauffließenden Wassers um nur 0,5°C ausreichen, um dieses Wasser innerhalb des Rotationszylinders in einem Wirbel 100 m hochzufördern. Hierbei habe ich einen (wortwörtlich) durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50 % angenommen, obwohl Prof. Rudolf Trostel von der TU Berlin für den Prozeß der Hinaufförderung sogar einen Wirkungsgrad nahe 100 % vermutet! (194)

Ich möchte betonen, daß eine Maschine, deren Betriebsenergie der ,Wärme' entstammt, genauso berechtigt ist zu funktionieren wie eine Maschine, die mit ,Hitze' betrieben wird, auch wenn wir dies bisher noch nicht gewohnt waren. Es geht schließlich immer um Potentialunterschiede - doch diese gibt es auch bei Differenzen von nur wenigen Zehntel Grad. Daß diese geringen Unterschiede bisher technisch noch nicht genutzt werden konnten, heißt aber nicht, daß dies auch in Zukunft so bleiben muß. (195)

Der nach oben gerichtete Sogeffekt des Wirbelgeschehens funktioniert dagegen unabhängig von der Temperatur - ein kleiner Versuch, der sehr leicht selbst durchzuführen ist, soll dies veranschaulichen:

In ein hohes, wassergefülltes Gefäß legen wir ein rohes Ei, welches denn auch sofort auf den Boden des Gefäßes sinkt (es sei denn, das Ei ist schlecht). Wenn wir nun in diesem Gefäß einen Wasserwirbel erzeugen, beispielsweise durch starkes Umrühren mit einem Löffel, dann sehen wir bald, daß das Ei in der Mitte des Wirbels tanzend emporsteigt. Je exakter der Wirbel ist, desto ruhiger geht der Aufstieg vonstatten, während sich das Ei entlang der Rotationsachse stabilisiert. Ich habe das Experiment selbst mehrfach durchgeführt und berichte hier aus eigener Anschauung.

Wendekreisel mit Niels Bohr und Wolfgang Pauli

Wendekreisel

Und noch etwas ist zu erwähnen: Es gibt ein technisches Gerät, das dem Wirbel in seinen Reaktionen sehr ähnlich ist - es ist der Kreisel mit seinem ebenfalls hohen Beharrungsvermögen. Man kann es aber auch so ausdrücken: ,Der Wirbel ist der absolut freie Kreisel'.

Die Version für Kinder ist bekannt - früher aus Holz und mit einer Peitsche angetrieben, später dann mit einem mehrfach niederzudrückenden zentralen Spiralstab, der den ,singenden' Metallkreisel immer stärker beschleunigte.

Wie man sieht, waren sogar Niels Bohr und Wolfgang Pauli 1960 von dem Stehauf-Kreisel überrascht - der während seiner Rotation kippt und sich auf seine Achse stellt, und dessen Prinzip erstmals 1892 von der Physikerin Helene Sperl veröffentlicht wurde. Er ist auch als Wendekreisel bekannt.

Daneben gibt es aber auch die modernen Präzisionskreisel in den Navigationssystemen der Flugzeuge - oder die schweren Massekreisel in Schiffen, die das ,Rollen' verhindern. Das Kardanische Gehänge, d.h. die äußeren Ringe, in denen eine Kreiselmasse rotiert, wurde schon vor dem Jahre 1600 erfunden. Die Technik findet heute ihre Anwendung bei der Kardanwelle eines Kraftwagens und dient der Übertragung von Rotationsenergie über Abwinkelungen.

Es dauerte jedoch mehr als 200 Jahre, bis der Tübinger Professor Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger auf die Idee kam, in dieses Gehänge eine rotierende Scheibe einzubauen. Damit war das Gyroskop (auch Kreiselkompaß) geboren. In der Literatur wurde er erstmals im Jahre 1817 erwähnt, also lange nach Newtons Schaffensperiode.

Der Kreisel hat seine eigenen Bewegungsgesetze, die vor dem Jahre 1817 nicht beobachtbar waren. Dann bemerkte man allerdings recht schnell, daß die Gleichgewichtslagen während des Spielens des Kreisels nicht für seine Ruhelage gelten und umgekehrt. In den 1930er Jahren experimentierte man mit dem Kreisel in mehreren Richtungen. So wurde er beispielsweise am Fahrgestell von Kraftfahrzeugen installiert und bewirkte dadurch, daß sich die Fahrzeuge bei Kurvenfahrten zur Innenseite neigten. Hier zeigte sich auch schon, welche Energien und Kräfte der Kreisel überwinden kann. Noch deutlicher wird dies bei Kreiseln im Bereich des Schiffbaus: Am Bug und am Heck eines Passagierschiffes wurde ein solches Gerät eingebaut und damit erreicht, daß das Schiff trotz Querwellen weiterhin senkrecht im Wasser blieb. Das ohne Kreisel sonst übliche ,Rollen', also das seitliche Hin- und Herschaukeln mit der Folge der Seekrankheit oder dem Verrutschen der Ladung blieb aus. (196)

Es ist fast unvorstellbar, welche riesigen Energiemengen ein Kreisel einsaugen kann. Der deutsche Kreiselfachmann Richard Grammel bemerkte schon um die vorletzte Jahrhundertwende herum, daß der Kreisel in der Lage ist, unerwünschte Bewegungsenergie aufzuschlucken und diese anschließend zu vernichten. Eigentlich peinlich für den Energieerhaltungssatz, der in seiner traditionellen Lesart ja aussagt, daß Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Und wenn der Kreisel, was nachgewiesen ist, Bewegungsenergie vernichten kann, dann müßte er auch Bewegungsenergie produzieren können. (197)

Ausschnitt aus Wakeman-Brief

Ausschnitt aus Wakeman-Brief

Muß ich erst noch besonders darauf hinweisen? Auch das Synergetische Modell ist nichts anderes als ein sehr großer und sehr mächtiger Kreisel. Man darf also gespannt sein, welche Formen der Energietransformation uns innerhalb des Rotationszylinders noch alle begegnen werden.


Zum Abschluß dieses Kapitels möchte ich auf einen weiteren ,Meister der Spiralen' aufmerksam machen, der sich - genau wie ich - seit 1975 intensiv mit dem Phänomen der Wirbelströmung beschäftigt.

Nachdem ich durch einen Presseartikel auf Alfred Wakeman aufmerksam wurde und ihn anschrieb, entwickelte sich Mitte der 80er ein kurzer, aber intensiver Briefwechsel - wobei mir Alfred seine Betrachtungen teilweise malte! Als Verfechter einer ,Energie-Synthese-Theorie' hat er das Synergetische Modell auch sofort begriffen - und deshalb habe ich seine 13 Briefe resp. Bilder einzeln eingescannt und im Archiv veröffentlicht (pdf), damit Sie, liebe Leser, sich ganz unvoreingenommen mit den originalen ,Aussagen' Alfreds beschäftigen können. Eine ganz besondere Empfehlung! (198) 


Wir kommen hier als nächstes zu technischen Details wie dem Lagerungssystem - und daran anschließend zu den Optimierungsprozessen.


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