Wer nicht kommt, ist nicht da

©  ITBE Annika Sterneborg hat es fast geschafft: Der Niedertemperatur-Stirling ist so gut wie einsatzbereit

Die Tür zum Physikraum des Bocholter Mariengymnasiums steht offen und Musik hallt in den Flur. Paolo Nutini singt von „neuen Schuhen“ und sorgt damit für eine unbefangene Atmosphäre. Physiklehrer Ludger Marwitz ist es wichtig, dass die Teilnahme am Wettbewerb ITBE klar von der Strenge des Unterrichts abweicht. „Das ist eine außerschulische Veranstaltung, und die Schüler entscheiden selbst, ob sie beim Treffen dabei sind oder nicht“, erklärt Marwitz. Heute entscheiden sie sich für „oder nicht“, denn nur Annika Sterneborg folgte den musikalischen Klängen aus Raum 70, um am Projekt weiterzuarbeiten. Ihre vier Teamkollegen gönnen sich eine Woche Pause.

Stücke mit Tücke
„Das heutige Ziel ist es, einen Stirlingmotor allein durch Handwärme zum Laufen zu bringen“, berichtet Marwitz. Das allerdings ist ein besonderer Moment, bei dem der Lehrer gerne die gesammelte Truppe anwesend gesehen hätte. Schließlich haben sie gemeinsam mehrere Bausätze der Niedertemperatur-Stirlings in mühsamer Kleinstarbeit zusammengebaut. Nur noch wenige Schrauben trennen den Motor von seiner ersten Inbetriebnahme. Querschnittszeichnungen gaben Instruktionen, Marwitz brachte seinen Werkzeugkoffer mit in die Schule und schon machten sich die Schüler daran, die vielen Einzelteile an die richtige Position zu bringen.

©  ITBE Annika Sterneborg und Physiklehrer Ludger Marwitz müssen heute alleine am ITBE-Projekt basteln. Der Rest des Teams nimmt sich eine Auszeit

„Eine super Übung für angehende Ingenieure, denn die müssen sich auch im Studium mit solchen Anleitungen auseinandersetzen.“ Annika ergänzt: „Das ist eine Aufgabe, die mir richtig Spaß macht.“ Doch es gab Tücken, die die Geduld der Schüler forderten: Distanzplättchen lösten sich aus der Pinzette und verschwanden scheinbar unauffindbar auf dem Boden des Klassenraumes. Getrockneter Metallkleber verschob Abstände, die eine Flex ausgleichen musste. Die Snacks zwischendurch waren etwas zu fettig und erschwerten das Greifen der Teile. Doch nun ist es geschafft und ein eher unscheinbares rundes Gerät steht bereit, um Wärme in Energie umzuwandeln. Doch Ludger Marwitz hält inne: „Das möchte ich den anderen eigentlich nicht vorenthalten. Denn darauf haben sie gemeinsam hingearbeitet.“

©  ITBE Endlich ist es soweit: Der Stirlingmotor kommt langsam und allein über Handwärme in Schwung

Warum immer kompliziert?
Die Gruppe hat sich für die Umsetzung der zweiten Aufgabe und damit für das Thema Energieeffizienz entschieden. Der theoretischen Auseinandersetzung und ein schrittweises Eindenken in die Funktion eines Stirlings ist dabei die erste Etappe. Dann wollen sich die Schüler überlegen, wo sie den Motor anbringen können, um abschließend ein entsprechendes Modell zu fertigen. Ein Stirling wird über Abwärme betrieben, egal welcher Quelle. Er ist äußerst wartungsarm und leise und sein Einsatz nutzt verschwendete Energie, um sie in mechanische umzuwandeln. Er hat typischerweise einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Raum, zwischen denen sich ein Arbeitsgas hin und her bewegt. Dabei bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das Arbeitsgas wird im erwärmten Bereich ausgedehnt, im kalten zusammengedrückt. In fast allen Stirlingmotoren gibt das heiße Arbeitsgas einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Raum an einen Regenerator ab. Dieser nimmt die Wärme auf, um sie anschließend wieder an das Gas abzugeben, wenn es vom kalten Raum zurück in den warmen geschoben wird. Dieser Zyklus kommt über zwei Kolben (Arbeits- und Verdrängerkolben) zustande. So schafft es die Wärmekraftmaschine, aus Wärme Strom und Bewegung zu erzeugen.

Gute Ideen
„Es gibt viele Ideen und Möglichkeiten, aber nur wenige lassen sich sinnvoll realisieren“, erklärt Marwitz kritisch. So ein Motor funktioniert nicht aufgrund einer Druckwelle, sondern weil sich durch Wärme Gase ausdehnen. Das dauert allerdings länger und ist deswegen oft nicht die optimale Lösung.“ Viertaktmotoren durch Stirlings zu ersetzen, ist zudem keine neue Idee, und es hat seine Gründe, warum es bei einer Idee blieb. Überholmanöver zum Beispiel sind undenkbar. Erst bei einem Hybridantrieb aus Elektromotor und Stirling ist der Einsatz wirklich sinnvoll. Da ist es gut, dass das Team des Mariengymnasiums sich weitere Möglichkeiten überlegt hat: Die Abwärme beim Kochen könnte von dem Alternativantrieb für elektrische Geräte genutzt werden – wie zum Beispiel einem Pürierstab. In dem Moment ließe sich Energie sparen. Marwitz: „Das aber sind Entscheidungen, die rechtzeitig fallen werden, da bin ich mir sicher.“