Ein Perpetuum Mobile (PM, lat. das „ununterbrochen Bewegliche“) ist eine Konstruktion die, einmal in Gang gesetzt, ewig in Bewegung bleiben (und dabei unter Umständen noch Arbeit verrichten) soll.
Physikalische Unmöglichkeit des PM
Auf Grund von fundamentalen Erkenntnissen aus der Thermodynamik (einem Teilgebiet der Physik) weiß man seit langem, dass ein Perpetuum Mobile nicht existieren kann; Theorien, welche die Existenz eines Perpetuum Mobile behaupten, gelten als pseudowissenschaftlich. Heutige Vertreter solcher Theorien verwenden auch andere Bezeichnungen, zum Beispiel „Konverter für Freie Energie“.
Der Begriff „Perpetuum Mobile“ (PM) bezieht sich auf ein geschlossenes System, in dem gemäß dem Energieerhaltungssatz keine Energie entstehen oder verschwinden kann. Dies bedeutet, dass eine scheinbar von selbst laufende Maschine, welche Energie produziert, streng genommen kein Perpetuum Mobile wäre. Im Sinne der Energieerhaltung würde diese nämlich kein geschlossenes System bilden. Mit anderen Worten: Wenn eine Maschine scheinbar Energie aus dem Nichts erzeugen würde, dann muss es innerhalb der Physik diese Energie bereits in einer anderen Form zur Verfügung haben. Diese würde lediglich in eine neue Energieform umgewandelt werden.
Physik im Wandel
Diese zunächst merkwürdige Erscheinung - nämlich, dass sich die physikalischen Theorien entsprechend so entwickeln, dass es einen Energieerhaltungssatz immer gibt - wurde geschichtlich schon mehrfach beobachtet: Seit Jahrtausenden konnte aus an sich totem Material durch Verbrennung Wärme erzeugt werden, obschon nicht ganz klar war, inwieweit dies Energie bedeutete. Ende des Mittelalters wurde mit der Entdeckung des Schießpulvers klar, dass diese Energie und Wärme tatsächlich auch Bewegung bedeutet. Im 18. Jahrhundert zeigte die Dampfmaschine, dass "Wärme irgendwie Energie und Bewegung ermöglicht", worauf im 20. Jahrhundert Albert Einstein mit seiner berühmten Formel E=mc² folgerte, dass Masse tatsächlich äquivalent zu Energie ist.
Faktisch wurden dem Energieerhaltungssatz immer weitere Terme hinzugefügt.
Beispiel: Ein Kernkraftwerk, betrachtet mit der Physik des 19. Jahrhunderts, ist ein Perpetuum Mobile. Es verletzt die im 19. Jahrhundert bekannte Energieerhaltung. Mit der Äquivalenz von Energie und Masse gab es im 20. Jahrhundert eine neue Form des Energieerhaltungssatzes, und die Physik war repariert.
Erst mit dem Noether-Theorem wird der Grund dafür transparent: Um praktisch mit physikalischen Modellen oder Theorien arbeiten zu können, dürfen sich diese gedanklichen Modelle nicht zeitlich ändern. Sonst müssten jeden Tag die Formeln neu erfunden werden. Aus dieser zeitlichen Invarianz der physikalischen Modelle folgt dann, dass diese Modelle oder Theorien einen Energieerhaltungssatz enthalten müssen.
Die Physik als Sammlung von Denkmodellen zur Beschreibung der Wirklichkeit passt sich immer so an, dass ein Perpetuum Mobile unmöglich ist. Das ist unabhängig von praktischen Möglichkeiten zur Energiegewinnung.
Kategorien von PM
Perpetua Mobilia werden nach dem thermodynamischen Hauptsatz kategorisiert, den sie verletzen. Die Klassifikation gibt keinen Hinweis zum beabsichtigten Funktionsprinzip des PM.
Perpetuum Mobile erster Art
Die Idee ist, dass eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie selbst liefern würde und zusätzlich Nutzenergie liefern würde (zum Beispiel ein einmal in Drehung versetzter elektrischer Generator). Eine solche Maschine verletzt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, da sie Energie aus nichts produziert.
Beispiele
- Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben. Ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.
- Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten. Das Licht wird in einem Fotoelement aufgefangen und erzeugt elektrischen Strom, der zum Teil seinerseits genutzt wird um den Akkumulator wieder aufzuladen.
Es wird bei dem Perpetuum Mobile erster Art auch noch Nutzenergie entnommen, aber bereits der „einfache“ Kreislauf ist unmöglich, da es bei jeder Bewegung bzw. Umwandlung Verluste gibt. Alle Verluste führen letztendlich zu einer Temperaturerhöhung des Teils, an dem sie entstehen, auch photophysikalische. Da die Umgebung immer kälter ist als das verlusterzeugende Teil, fließt die Energie der Maschine durch Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung an die Umgebung ab. Die Maschine muss über kurz oder lang stehenbleiben, weil eine Rückführung aufgrund der Temperaturdifferenz nicht von selbst stattfindet (Wärme fließt nur von warm nach kalt, nicht umgekehrt).
Perpetuum Mobile zweiter Art
Idee: Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, also die mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in (mechanische) Arbeit zurück umsetzen. Eine solche Maschine verletzt nicht den Energieerhaltungssatz, dafür aber den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme irreversibel ist.
Prinzipiell kann man ein Perpetuum Mobile der 2. Art daran erkennen, dass es versucht, Wärme an einem Punkt aufzunehmen und in andere Energieformen umzuwandeln. Das alleine muss nicht gegen die Energieerhaltung (1. Hauptsatz) verstoßen, es wären also Maschinen denkbar (aber nicht lauffähig), die unter Beachtung der Energieerhaltung Wärme in höherwertige Energieformen, zum Beispiel Strom umwandeln.
Der 2. Hauptsatz verlangt allerdings, dass Maschinen, die Wärme und Wärmestrahlung (zum Beispiel Solarzellen) in andere Energieformen umwandeln, vier Voraussetzungen erfüllen müssen:
- Es muss einen heißen und einen kalten Punkt geben
- Eine Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen dem heißen und dem kalten Punkt
- Die Wärme fließt durch die Wärmekraftmaschine, die nun einen Teil der Wärme in höherwertige Energieformen umwandeln kann
- Ein anderer Teil der Wärmeenergie wird von der Maschine an den kalten Punkt durchgeleitet
Wenn die Wärme über die Maschine nicht wenigstens teilweise in Richtung des kalten Punkts abfließen kann, dann bleibt die Maschine nach kurzer Zeit stehen. Ungünstigerweise beeinflusst die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Punkt das Verhältnis zwischen höherwertiger Energie und durchgeleiteter Wärme. Je kleiner die Temperaturdifferenz ist und je höher die Temperatur des kalten Punktes ist, umso geringer ist der Anteil der höherwertigen Energie, das heißt, umso schlechter ist der Wirkungsgrad der Maschine. Der Carnotsche Wirkungsgrad liefert den theoretischen Grenzwert des Wirkungsgrades.
Beispiele
- Ein Kochtopf wird erhitzt, indem ihm Wärme aus der Zimmerluft zugeführt wird, ohne dass Energie von außen aufgewendet wird.
- Ein Rad dreht sich, indem ihm Antriebs-Energie, gewonnen aus der Wärme des Zimmers, zugeführt wird.
- Ein Kühlschrank wird betrieben, indem der Kompressor mit der Wärme aus den gekühlten Lebensmitteln angetrieben wird.
Ein Gedankenexperiment von Maxwell veranschaulicht das Perpetuum Mobile 2. Art, der Maxwellsche Dämon.
Geschichte
Erste Berichte über mechanische Perpetua Mobilia (kurz: PM) stammen aus Indien und dem Orient. Der indische Astronom Lalla beschreibt 748 in seinem Werk Sysyadhivrddhida Tantra ein PM-Rad. Um ca. 1150 beschreibt der indische Mathematiker Bhaskara ein Perpetuum Mobile, das aus einem Rad besteht, das quecksilbergefüllte Speichen trägt. Um 1230 ersann der französische Baumeister Villard de Honnecourt ein PM, welches aus pendelnd an einem Rad aufgehängten Hämmern bestand. Honnecourt erwähnt Quecksilber in seiner Beschreibung als Füllmittel, so dass davon ausgegangen wird, dass er die Arbeit von Bhaskara direkt oder indirekt kannte. In der Renaissance entwarfen DeGeorgio, Leonardo da Vinci oder Vittorio Zonca PMs, jedoch ohne praktische Ausführung. Da Vinci formulierte als Erster, dass ein mechanisches PM in den Bereich der Unmöglichkeit gehört.
In der Barockzeit war das Interesse an perpetuierlichen Maschinen voll erwacht. Neben den Universalgelehrten Athanasius Kircher und Caspar Schott befassten sich viele andere mit der Theorie und gelegentlich auch der Praxis (zum Beispiel Johann Ernst Elias Bessler, Künstlername Orffyreus) des PM.
1775 erklärte die Französische Akademie der Wissenschaften, keine Arbeiten zum Thema PM mehr anzunehmen oder zu prüfen, da eine immerwährende Bewegung ein Ding der Unmöglichkeit sei. Mit der Formulierung des Energieerhaltungssatzes durch Julius Robert von Mayer und Rudolf Clausius wurde Mitte des 19. Jahrhunderts dem PM der theoretische Boden entzogen. Die Idee des PM ist dennoch nicht tot; immer noch versuchen Erfinder, eine ewig bewegliche Maschine zu erdenken.
Beispielsweise hat der norwegische Künstler Reidar Finsrud ein mechanisches Mobile konstruiert, in welchem sich eine Kugel auf einer Kreisbahn bewegt. Die genaue Funktionsweise ist nicht bekannt, aus der Beobachtung ergibt sich jedoch Folgendes: Die Kugel rollt an Magneten vorbei und die dadurch hervorgerufene Bewegung der an den Magneten befestigen Mechanik überträgt sich auf ein Pendel, welches wiederum eine Neigung der Kreisbahn zur Folge hat.
Das vermeintliche Perpetuum Mobile des Franzosen Aldo Costa (hat nichts mit dem Chefdesingner des Ferrari-Formel-1-Teams zu tun) basiert auf einem anderen Prinzip. An einem Rad mit ca. 17m Durchmesser sind Gewichte und Mechanik derart befestigt, dass die Gewichte der aufsteigenden Seite weiter innen sind als die der absteigenden Seite und das Rad sich somit bewegt.
Perpetuum Mobile – Beispiele
Gelegentlich findet man eine Idee, die nach einem Perpetuum Mobile aussieht oder man wird (vorwiegend von Kindern) gefragt, warum denn dieses Perpetuum Mobile niemand baut. Dazu kommen Berichte insbesondere in esoterischen Zeitschriften oder Diskussionsforen. Zumeist handelt es sich dabei um theoretische Konstruktionen, die auf den ersten Blick den Anschein eines „echten“ Perpetuum Mobiles erwecken, weil die hineingesteckte Arbeit bzw. ihr Betrag zunächst nicht als solche offensichtlich ist, etwa bei einem Elektromotor, der einen Generator antreibt, der wiederum den Elektromotor mit Strom versorgt. Bis heute hat kein vermeintliches Perpetuum mobile einer wissenschaftlichen Prüfung standgehalten, vielmehr haben alle Experimente die Richtigkeit der Hauptsätze der Thermodynamik bestätigt. Gelegentlich ist es jedoch eine hübsche Denksportaufgabe, den physikalischen Fehler in einem Perpetuum Mobile zu entdecken und nachzuweisen.
Daher ein paar Beispiele zu solchen „Maschinen“:
- Mexikanische Springbohnen: Wie von Geisterhand bewegen sich diese Bohnen. Könnte man nicht deren Bewegung zur Energieerzeugung nutzen?
Lösung: In der Bohne befindet sich ein Wurm. Wenn er sich bewegt, wackelt die Bohne.
- Transformator: Mit einem Transformator kann man die Spannung hochsetzen und wie man vom einstellbaren Eisenbahntrafo „weiß“, läuft dann alles schneller. Könnte man nicht eine Maschine bauen, die die Spannung einer Batterie wechselrichtet → auf eine höhere Spannung transformiert → wieder gleichrichtet → damit mehrere Batterien gleichzeitig lädt?
Lösung: Beim Transformieren bleibt Strom × Spannung = Leistung konstant. Wenn also die Spannung hochtransformiert wird, sinkt gleichzeitig der Strom, die Leistung zum Laden wird also nicht größer. Der Eisenbahntrafo hat noch einen zusätzlichen Vorteil: Unbemerkt vom Anwender kann er sich bei höherer Last auch mehr Leistung aus dem Stromnetz holen. Es sieht dann so aus, als ob alleine die höhere Spannung auch mehr Leistung bringt.
- Lichtmühle: In einer Glaskugel hängt an einem Faden ein Stern mit mehreren Metallplättchen, die sich ständig drehen. Die eine Seite jeden Plättchens ist schwarz und die andere Seite weiß oder silberfarben. Kann man diesen Rotor nicht anzapfen?
Lösung: Hierbei handelt es sich um eine Lichtmühle, die durch Umgebungslicht angetrieben wird. Diese Lichtmühle ist sogar eine Wärmekraftmaschine, sie unterliegt also nicht nur den Beschränkungen des ersten, sondern in ihrem thermischen Wirkungsgrad auch der des zweiten Hauptsatzes, da die Bewegung durch Licht (=Wärmestrahlung) und Erwärmung der Plättchen verursacht wird.
- Magnet: Ein magnetisches Fahrzeug platziert über ein Gestänge einen starken Magneten vor sich. Der Magnet zieht das Fahrzeug an und wird dabei gleichzeitig ebenfalls fortbewegt, so dass das Fahrzeug die ganze Zeit hinter dem Magneten hergezogen wird und diesen die ganze Zeit vor sich her schiebt. Vergleichbar ist dies mit einem Menschen, der sich selbst an den Haaren aus dem Treibsand zieht.
Lösung: Dieses Perpetuum mobile verletzt keinen Hauptsatz der Thermodynamik, wohl aber das Prinzip der actio und reactio der Newtonschen Mechanik.
Amüsantes
Gelegentlich entstehen scheinbare Perpetuum Mobiles durch konsequente Fortsetzung einer zunächst kleinen Schummelei. Ein Beispiel liefern die Hersteller von Feuerungsanlagen immer noch. Laut deren Datenblätter erreichen Brennwertkessel heizwertbezogene Wirkungs-/ Nutzungsgrade von über 100 Prozent. Diese physikalische Unmöglichkeit ist eine Folge einer Mogelei, die vor vielen Jahren recht unscheinbar begann: Damals hatten Heizkessel Wirkungsgrade um 70%. Das klingt schlecht und um den Kunden hohe Qualität vorzutäuschen, wurde festgesetzt, dass ein Heizkessel niemals mehr als 90% Wirkungsgrad haben kann. Bezogen auf diese "Schallgrenze" hat dann ein 70%-Kessel den besser verkaufbaren Wert von 70/90*100% = 78%. Im Lauf der Zeit lernten die Kesselbauer dazu und irgendwann wurde ein physikalisch korrekt gemessener Wirkungsgrad von 85% erreicht, der - mit der gleichen Formel berechnet - als 94%-Kessel verkauft wurde. Als vor einigen Jahren die Brennwertkessel erfunden wurden, die auch noch die Kondensationswärme der Feuchtigkeit im Abgas ausnutzen, stieg der physikalisch korrekte Wirkungsgrad auf 95%. Nun hatten die Hersteller aber nicht den Mut, zu sagen, dass sie bisher mit den Wirkungsgraden gemogelt haben und verwendeten diese Formel weiter. Und diese liefert 95/90*100% = 106%. Und damit wurde der Schwindel offenkundig und die Physiker haben etwas zum Schmunzeln.
Weblinks
- Perpetuum Mobile in Zedlers Universallexikon, 1732–1754 (Projekt Wikisource)
- Weiterführender Text, Geschichte, Analysen