Vom Wirbel zur reversiblen Thermodynamik
von Lothar Rohling

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Erster Teil

Um die Arbeitsweise meteorologischer Wirbel (MW) zu erkennen, wurden im Oktober 1981 von W. Strauß Laborversuche durchgeführt. Ziel der Versuche war die Entwicklung eines Wärmemotors, der aus latenter Umgebungswärme (Anergie) Antriebsenergie bzw. Exergie erzeugt.

Da der energetische Mechanismus der verschiedenen Formen meteorologischer Wirbel trotz gigantischer Forschungsaufwendungen bis heute bezeichnenderweise nicht vollständig nach Wissen des Verfassers geklärt werden konnte, mußte dies nachgeholt werden. Hierzu muß jedoch bemerkt werden, daß die Zielstellung der meteorologischen Forschung mit Vorhersage über Auftreten, Richtung usw. für die Schadensverhütung sowie Beeinflussung (Absterben) der Wirbel eine andere war.

Für den Verfasser dagegen waren die MW das Vorbild für eine fast ideale Wärmekraftmaschine, die ohne Verbrennung von Primärenergie der Umgebung laufend unter Abkühlung und Erzeugung von Wasser, Eis und Schnee, d.h. Kondensation bzw. Sublimation von Wasserdampf Anergie entzieht und dabei gewaltige Mengen mechanischer Energie erzeugt.

Ingenieurmäßig betrachtet ist die "Konstruktion" dieser hydrothermodynamischen Maschine verblüffend simpel, denn sie arbeitet kontinuierlich (nicht zyklisch), kommt ohne materielle "Maschinenteile" aus und benötigt und erzeugt nur kleine Temperatur-Unterschiede. Außerdem erzeugt und transportiert sie Süßwasser.

Nachteilig ist, daß die mechanische Energie der MW für den Menschen nicht nutzbar ist und sich gelegentlich sogar zerstörerisch auswirkt. Ein weiterer Nachteil sind die großen Dimensionen der MW sowie ihr Verhalten, nicht stationär am Ort zu verweilen. Sie benötigen zum Entstehen einen Anwurfmechanismus (Anlasser) und die Erfüllung gewisser physikalischer Mindestbedingungen bei der Wassertemperatur, Lufttemperatur und -feuchte (z.B. beim Hurrikan), sowie bei anderen MW-Formen wie z.B. bei dem Tornado, das Überschreiten gewisser Gradienten der physikalischen Werte und das Vorhandensein von Kondensationskernen oder auch elektr. Entladungen der Luftelektrizität.

Weitere Nachteile sind, daß man sie nicht beliebig steuern bzw. regeln und schon gar nicht "abschalten" kann. Bisher ist nur eine gewisse "Beeinflussung" durch Impfen mit Silberjodid bzw. Kohlensäure gelungen. Das Ergebnis dieser "Beeinflussung" spaltete die Fachleute in zwei Gruppen: Gruppe 1 sprach vom Dämpfen und Absterben, Gruppe 2 vom Anheizen und Steuern in eine andere geographische Richtung.

Auch dieser Widerspruch zeigt wesentliche Wissenslücken. Wir machen an dieser Stelle einfach einen Gedankensprung und nehmen vorweg, daß es einem Menschen oder einer Gruppe von Menschen gelingt, den physikalischen Ablauf in stofflichen, thermodynamischen, mechanischen und hydrodynamischen Aspekten vollständig in seinen theoretischen und experimentellen bzw. praktischen Teilen zu erkennen.

Dann ergibt sich folgende Situation:

Der Anlasser muß nicht als glücklicher Zufall hinzukommen, sondern kann z.B. durch einen Elektromotor mit Scheibenkonstruktion ersetzt werden.
Ist dieser Elektromotor reversibel, so kann er im Anschluß an den Anlaufprozeß auch als Wandler mechanischer Energie in elektrische Energie benutzt werden.
Der Atmosphärendruck kann auf praktisch jede Größe herauf- bzw.heruntergesetzt werden, wenn die Rechnung ergibt, daß ein optimaler Wert vorhanden ist. Dies kann durch einen druckdichten Behälter, der thermisch offen bleibt und damit auch als Wärmeaustauscher dient, realisiert werden.
Das Molekulargewicht der Luft als Gasgemisch beträgt rd. M = 29. Falls die Rechnung zeigt, daß ein geringeres oder größeres Molekulargewicht günstiger ist, so läßt sich durch Füllung des Behälters mit diesem Gas auch diese Voraussetzung besser als in der Atmosphäre gestalten.
Das Verhältnis der spez. Wärmen æ=cp/cv, welches bei Luft æ=1,4 ist, kann ebenfalls als Voraussetzung durch Wahl des Arbeitsgases für den Versuch frei gewählt werden, falls die Rechnung dies verlangt.
Auch der Wasserdampf kann durch einen anderen Stoff in Dampfform ersetzt werden, falls die Zielstellung dies erfordert.
Bleiben wir beim Wasser, so wird, wie bei anderen Dämpfen, der Sättigungs-Partialdruck durch vorgegebene Umgebungstemperatur phys. bestimmt und schwankt mit dieser. Wenn die Theorie jedoch einen Mindestwert des Relativdruckes Dampf/Arbeitsgas erforderlich macht, so läßt sich dies ebenfalls in dem Wärmeaustauschbehälter durch Steuern des Arbeitsdruckes einstellen.
Nach Bjerkness [1] ist der MW ein metastabiles, sich selbst erhaltendes System, welches sich seine Voraussetzungen zur Stabilität und Arbeitsweise zu seinem Erhalt selbst erschafft. Zu diesen Voraussetzungen gehört in der freien Natur auch die der freien Strömung. Im Labor hat man jedoch die Möglichkeit, durch zweckentsprechende Gestaltung diese Strömung durch Maschinenteile zu begünstigen oder gar zu optimieren, wenn dadurch der Nutzeffekt verbessert werden kann.
Die Verdunstungsgeschwindigkeit des Dampfes, in der Natur vorgegeben durch die Meeresoberflächentemperatur, das Speichervermögen und die Wärmeleitfähigkeit des Wassers, der Wandergeschwindigkeit des MW über immer frische Teile der Meeresoberfläche, der Relativgeschwindigkeit zwischen Luft- und Meeresströmung und dem Nachströmen von latenter Wärme durch Wärmeleitung und Konvektion wird durch das rasche Abkühlen dünner Oberflächen (um 9-12° C) stark gemindert. Im Labor ist es jedoch durch zweckentsprechende Gestaltung eines Verdunsters möglich, diesen Prozeß wesentlich zu verstärken, falls, was zu vermuten ist, dies für den Prozeß vorteilhaft ist.
Nur der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß es im Gegensatz zum MW natürlich möglich ist, einen derartigen Wirbel räumlich und zeitlich zu beherrschen, also zu steuern.

Zusammengefaßt ergibt sich zunächst folgendes:

Durch Anwendung einer Anlasser-Wandler-Kombination (reversibler E-Motor), Wahl der Gasart æ, Molekulargewicht (M), Systemdruck (p), des Druckverhältnisses p_Dampf/p_Gas, Erhöhung der Verdunstungsgeschwindigkeit und Erzwingen eines geeigneten Strömungsverlaufes läßt sich der Prozeß des MW frei von Zufälligkeiten mit maximaler Effektivität stationär ins Labor bringen, unter beherrschbaren Abmessungen steuern, regeln, ein- und ausschalten und damit nutzbar machen.

Dies ist eine differenzierte Aufgabenstellung und Teillösung zugleich. Was fehlt, ist das völlige Durchleuchten der mechanischen, hydrodynamischen und thermodynamischen Abläufe in Verbindung mit einer mechanischen Konstruktion, die sich im Wechsel zwischen Experiment und Arbeit an der Theorie mit Hilfe von Literaturrecherchen sozusagen entwickelt. Dieser Aufgabe wenden wir uns jetzt zu.

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