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Motor#

Ein Motor ist eine Maschine, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie eine Energieform, z.B. thermische, chemische oder elektrische Energie, in Bewegungsenergie umwandelt.

In der Regel verfügen Motoren über eine Welle, die sie in Rotation versetzen und durch sie mechanische Vorrichtungen antreiben. Ausnahmen sind Raketenmotoren und Linearmotoren. Heute sind Verbrennungsmotoren und Elektromotoren von herausragender Bedeutung, aber es gibt andere Motorenarten und eine Unzahl von Varianten, von denen die Wichtigsten im Folgende kurz behandelt werden.

Dampfmaschinen und Dampfturbinen#

Dampfmaschinen waren die Basis der Industrialisierung. Die Erfindung wird Thomas Newcomen zugeschrieben: Heißer Wasserdampf unter Druck bewegt einen Kolben, durchaus wie bei Verbrennungsmaschinen. Sie sind die moderne Version der Dampfmaschine, idem der Dampfdruck eine Turbine antreibt. Zu Wasserturbinen siehe Kaplan oder Francis Turbine.

Turbine
Kaplanturbine vor Linzer Schlossmuseum
© P. Diem
Turbine
Francisturbine in USA Kraftwerk
Photo: U.S. Bureau of Reclamation

Verbrennungsmotoren#

Angesichts der weiten Verbreitung von motorbetriebenen Straßenfahrzeugen ist das wohl die erste Art von Motor, die jedem sofort einfällt, obwohl Verbrennungsmotoren in vielen anderen Bereichen ebenfalls eingesetzt werden.

Verbrennungsmotoren wandeln die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme über Volumenänderung zu mechanischer Arbeit um: der Druck der Verbrennungsgase wirkt auf die Oberfläche eines Kolben, dessen Bewegung entsprechend verwendet wird. Der Wirkungsgrad solcher Motoren reicht von unter 10% (beim Kaltstart von Autos) bis zu fast 90%, wenn in Blockkraftwerken auch die Abwärme, und auch das CO2 für Gewächshäuser verwendet wird.

Dieselmotor
Dieselmotor aus historischem Traktor
Aus: Pixabay
Wankelmotor
Wankelmotor aus deutschem Museum
Photo: Softeis at German Wikipedia

Prinzipiell unterscheidt man bei Verbrennungsmotoren zwischen Selbstzündern, wo die Verbrennung bzw. Explosion durch hinreichende Verdichtung des Luft-Brennstoffgemisches gelingt (wie bei Dieselmotoren) und Fremdzündern, sogenannten Ottomotoren, wo die Zündung z.B. durch Zündkerzen erfolgt.

Verbrennungsmotoren gibt es als "4-Takt" und "2-Takt" Modelle. Obwohl die 2-Takter eher von kleinen Fahrzeugen bekannt sind, sind Zweitakt Großdieselmotoren wegen ihres hohen Wirkungsgrades sowohl in der Schiffahrt wie bei elektrischen Großgeneratoren im Einsatz.

Im Fahrzeugbau werden Verbrennungsmotoren am häufigsten verwendet bei Autos und LKWs, bei Diesellokomotiven, kleinen Flugzeugen, Motorbooten, aber auch Rasenmähern, usw. Der Verbrennungsmotor ist eigentlich eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine. Man kann sich durchaus weitere Optimierungen sowohl im Wirkungsgrad als auch bei der Materialverwendung des Motors vorstellen. Auch andere Brennstoffe wie Wasserstoff, bei dessen Verbrennung fast reiner Wasserdampf entsteht oder die Kombination mit anderen Motoren können zu guten Hybridlösungen führen.

Moller
Maurer beim Einstieg in einen flugtauglichen Moller
Photo: Gio Wiederhold für Archiv H. Maurer

Beim Stirlingmotor bleibt das Arbeitsgas innerhalb des Motors, durchläuft also einen geschlossenen Kreislauf. Das bedeutet, dass man bei Stirlingmotoren oder Stirlingrurbinen mit Flüssigkeiten arbeiten kann, die einen viel tieferen Siedepunkt als 100° haben!

Ein Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor, bei dem die Verbrennungsenergie direkt in Rotationsenergie umgesetzt wird.

Es ist für den Autor überraschend, wie selten Wankelmotoren für den Betrieb von Propellern eingesetzt werden, da bei ihrem Einsatz die Umsetzung einer Kolbenbewegung in eine Drehbewegung entfallen würde.

Eine interessante Ausnahme ist das senkrecht startende und landenden Fluggerät Moller.

Das Bild zeigt den Autor beim Einstieg in einen flugtauglichen Moller am Testgelände der Firma in Davis, Kalifornien.

Gasturbinen#

Gasturbinen haben einen Turbokompressor (Verdichter), eine Brennkammer und eine Turbine. Die vom Kompressor verdichtete Luft wird in der Brennkammer bei Temperaturen bis 1500 °C mit dem eingespritzten Treibstoff verbrannt. Die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Verbrennungsgase treiben die Turbine an. Die Turbine entzieht ihnen mindestens jene Energie, die zum Antrieb des Kompressors notwendig ist. Der Rest steht als nutzbare Energie zur Verfügung. Gasturbinen werden in der Luftfahrt, der Schifffahrt (hier fast nur mehr im militärischen Bereich wegen ihrer Laufruhe) und in Elektrizitätswerken eingesetzt.

Elektromotoren#

Elektromotoren der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allen Maschinen Geräten, Automaten und Produktionsmitteln, von miniaturisierten Servo- und Schrittmotoren über Geräte für Haushalt, Büro, Klima und Auto bis zu Industrieanlagen. Elektromotoren wandeln elektrischen Strom im Normalfall in Rotationsenergie um, doch werden sie auch als Linearmotor eingesetzt. Ein Linearmotor bewegt ein Objekt durch Magnetfelder, wobei üblicherweise ein solches Feld von "hinten" anschiebt, ein anderes von vorne "anzieht". Eine besonders moderne Entwicklung in diese Richtung sind Magnetschwebebahnen, die hohe Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Steigungen erlauben, die aber bisher keine allgemeine Akzeptanz gefunden haben. Die Magnetschwebebahn am Shanghai Pudong International Airport ist die bisher einzige, die im großen Stil eingesetzt wird. Dieser "Transrapid" verbindet den Flughafenbahnhof mit der Metrostation Longyang-Straße und endet direkt neben dem Messezentrum Shanghai New International Expo Centre. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 431 km/h und die Strecke hat eine Länge von etwa 30 Kilometern. Während der Fahrweg von einer chinesischen Firma gebaut wurde, stammt der Zug selber vom deutschen Transrapid-Konsortium.

Elektromotoren gibt es für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Sie finden vor allem bei Industrieanlagen und für elektrische Maschinen Verwendung. Auch in Spielzeugen oder z.B. in PCs (Lüfter, Laufwerke, Festplatte) und in Haushaltsgeräten werden sie eingesetzt. Fast alle Elektromotoren können auch „umgekehrt“ als Generatoren arbeiten, d.h. bei mechanischem Antrieb elektrische Energie erzeugen. Damit kann z.B. beim Bremsen oder bei Fahrstühlen Energie zurückgewonnen werden.

Wasserstoffmotor#

Wasserstoff kann für Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren eingesetzt werden: Als Alternative zur „normalen“ e-Mobilität bietet sich auch Wasserstoff als Treibstoff an: Entweder flüssig (die Kühlprobleme sind inzwischen beherrschbar) oder unter hohem Druck (800 bar). Wasserstoff ist darum interessant, weil sein Brennwert pro kg fast dreimal höher ist als von Benzin und Diesel. Leider hat auch flüssiger oder hochkomprimierter Wasserstoff ein kleines relatives Gewicht, d.h. um 1 kg Wasserstoff zu speichern, benötigt man ca. 10 l Volumen. Um also den Brennwert eines 50 l Benzintanks zu erreichen, benötigt man fast einen 200 l großen Wasserstofftank, der entweder tiefgekühlt oder wegen seines Drucks stark ummantelt sein muss. Wasserstoff ist auch insofern interessant, als man ihn durch Elektrolyse von Wasser (etwa mit dem Strom eines Windrades, wenn dessen Strom gerade nicht benötigt wird) erzeugen kann.

Tatsächlich ist man vom Wasserstoff als Verbrennungsmotor/Kolbenmotor wieder abgekommen (obwohl BMW ein solches Auto herstellte), weil bei der Verbrennung von Wasserstoff so hohe Temperaturen auftreten, das Stickstoff zu Stickoxiden NOx oxidiert, deren Giftigkeit bekanntlich auch bei Dieselmotoren große Probleme bereitete, und dort erst durch einen entsprechenden Katalysator („AddBlue“, in Wahrheit Harnstoff) einigermaßen in den Griff zu kriegen war. „Einigermaßen“ weil das Verfahren bei Temperaturen schon unter 10° kaum mehr anwendbar ist, obwohl hier inzwischen angeblich Lösungen existieren. Daher setzen die Proponenten von Wasserstoff heute auf Wasserstoff Brennstoffzellen, in denen Strom erzeugt wird, der einen Elektromotor antreibt. In diesen Sinn sind solche Wasserstoffmotoen auch Elektromotoren.

Flugzeugmotoren#

Einerseits werden bei älteren und kleinern Flugzeugen ("Propellflugzeuge") Verbrennungsmotoren eingesetzt, wodurch die Steighöhe (wegen des großen Sauerstoffbedarfs bei der Verbrennung) und auch die Steighöhe begrenzt ist.

Moderner, schneller und auch für größere Flughöhen (bis 7.600m zugelassen) sind die im Volksmund "Turboprop" genannten Flugzeuge, bei denen eine Gasturbine die Propeller antreibt. Der Schub wird bei solchen Motoren fast ausschließlich vom Propeller erzeugt, nur ca. 10% durch den Rückstoß der ausgeworfenen Gase.

Das ist der wesentliche Unterschied zum Strahltriebwerk, das den Schub ganz oder fast zur Gänze durch die Rückstoßwirkung des Abstrahlgases erzeugt. Umgangssprachlich spricht man dann von Düsenflugzeugen.

Im Passagierverkehr auf kurzen Distanzen haben Strahlflugzeuge die Propellerflugzeuge nicht vollständig verdrängt; dort werden mit modernen Turboprop-Antrieben ausgestattete Passagierflugzeuge weiterhin eingesetzt und auch gebaut. Auch im Geschäftsreiseverkehr sind die kleinen „Jets“ seit Jahrzehnten vertreten, beispielsweise mit dem Learjet, die sogar interkontinenale Flüge absolvieren können.

Alle obig besprochenen Flugmotorentypen benötigen Luft (Sauerstoff) für den Verbrennungsvorgang und können daher die Atmosphäre nicht verlassen. Dazu benötigt man Raketenmotore.

Raketenmotoren#

Die Funktion von Raketentriebwerken beruht auf dem Rückstoßprinzip: Eine "Stützmasse" wird mit möglichst hoher Geschwindigkeit "nach hinten" ausgestoßen. Solche Motoren/ Triebwerke werden nicht nur als Antrieb von Raketen und Raumfahrzeugen eingesetzt, sondern auch bei manchen Flugzeugen oder "Raketenautos". Weit verbreitet sind sie im militärischen Bereich, wo sie als Antrieb von z.B. ballistischen Raketen oder zum Antrieb von (oft steuerbaren) Torpedos eingesetzt werden.

Atommotoren#

Atommotoren als solche sind im Wesentlichen eine Erfindung von Science Fiction Autoren.

Natürlich gibt es Großfahrzeuge (Schiffe, U-boote), die durch Atomkraft angetrieben werden, aber nur über die thermische Leistung solcher Atomreaktoren.

Zudem gibt es den Ionenantrieb, der in der Raumfahrt bereits eingesetzt wird, und wo zur Beschleunigung der Ionen auch kerntechnische Prozesse zum Einsatz kommen können: Bei einem Ionentriebwerk wird der Ausstoß eines (neutralisierten) Ionenstrahls zur Fortbewegung genutzt. Es werden auch je nach Energiequelle die Begriffe solar-elektrischer Antrieb und nuklear-elektrischer Antrieb verwendet. Ionentriebwerke haben zwar für einen Raketenstart direkt von der Erde einen zu geringen Schub, verbrauchen aber gegenüber chemischen Methoden weniger Stützmasse. Daher sind sie als Sekundärtriebwerk im Dauerbetrieb prädestiniert, insbesondere für die langen, möglichst energiesparenden Flugbahnen interplanetarer Sonden.

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