Perpetuum Mobile

Ein Perpetuum Mobile (PM, v. lat. „sich ständig Bewegendes“) ist eine Konstruktion, die – einmal in Gang gesetzt – ewig in Bewegung bleibt und dabei Arbeit verrichten soll, ohne dass ihr von außen Energie zugeführt wird.

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Physikalische Unmöglichkeit des Perpetuum Mobiles

Aufgrund von fundamentalen Erkenntnissen aus der Thermodynamik (einem Teilgebiet der Physik) gilt es seit langem als gesichert, dass ein Perpetuum Mobile auf der Basis der vier Grundkräfte der Physik nicht existieren kann; Theorien, welche die Existenz eines Perpetuum Mobiles behaupten, gelten darauf aufbauend als pseudowissenschaftlich. Heutige Vertreter solcher Theorien verwenden aufgrund dessen auch andere Bezeichnungen, zum Beispiel „Konverter für Freie Energie“.

Der Begriff „Perpetuum Mobile“ bezieht sich im klassisch physikalischen und patentrechtlichen Sinne auf ein geschlossenes System, in dem gemäß dem Energieerhaltungssatz keine Energie entstehen oder verschwinden kann. Dies bedeutet nicht, dass eine „von selbst“ laufende Maschine, welche Energie produziert, zwangsläufig ein Perpetuum Mobile sein muss. Diese muss nämlich nicht unbedingt ein geschlossenes System im Sinne der Energieerhaltung darstellen. Sie kann Energie mit ihrer Umwelt austauschen. Mit anderen Worten: Wenn eine Maschine Energie scheinbar aus dem Nichts erzeugen würde, dann befindet sich entweder innerhalb des Systems diese Energie bereits in einer anderen Form oder sie wird von außen zugeführt (z. B. über Strahlung). Diese Energie würde lediglich in eine neue Energieform umgewandelt werden.

Physik im Wandel

Der Grundbegriff der Energie bezeichnet die Fähigkeit Arbeit zu verrichten und wandelte sich im Laufe der Zeit mit dem wachsenden Wissensstand: Vor Jahrtausenden konnte aus an sich totem Material durch Verbrennung Wärme erzeugt werden, damals wurde der Begriff Energie jedoch noch nicht geprägt. Ende des Mittelalters wurde mit der Entdeckung des Schießpulver klar, dass diese Wärme Druck und auch Bewegung ineinander überführt werden können - Energie wird frei. Im 18. Jahrhundert zeigte die Dampfmaschine die thermodynamischen Zusammenhänge zwischen Druck, Wärme und Bewegung und dass „Wärme irgendwie Energie und Bewegung ermöglicht“. Ende des 19. Jahrhunderts wurde der Photoeffekt entdeckt, den im 20. Jahrhundert Albert Einstein erklärte und später mit seiner berühmten Formel die E=mc² postulierte, in der auch Masse eine Form der Energie ist. Bis heute ist die Masse die fundamentalste Form der Energie, während im Laufe der Zeit immer neue Formen der Energiespeicherung und Umwandlung gefunden wurden.

Die Veränderung des Energiebegriffs, insbesondere die Äquivalenz zur Masse, folgten aus ganz anderen Teilgebieten der Physik als der Thermodynamik. Dennoch genügten sie, wie im Nachhinein festgestellt wurde, dem Energieerhaltungssatz, insofern, als neu entdeckte Energieformen nicht mit einem Wirkungsgrad über 100 % in bekannte Energieformen überführt werden konnten. Erst mit dem Noether-Theorem wird der Grund dafür einsichtig. Aus der zeitlichen Invarianz der physikalischen Modelle folgt, dass physikalische Modelle oder Theorien einen Energieerhaltungssatz enthalten.

Beispielsweise wirkt ein Kernkraftwerk – betrachtet mit der Physik des 19. Jahrhunderts - auf den ersten Blick wie ein Perpetuum Mobile. Es verletzt die im 19. Jahrhundert bekannten Regeln der Energieerhaltung. Da jedoch Anfangs- und Endzustand nicht identisch sind, ist diese Frage mit dem alten Energieerhaltungssatz gar nicht entscheidbar. Insofern gibt auch die Physik des 19. Jahrhunderts keinen Anlass zu der Annahme, ein Kernkraftwerk könne unendlich viel Arbeit verrichten. Die Elementzusammensetzung der Brennstäbe ändert sich, so dass es irgendwann aufhört, Arbeit zu verrichten. Danach lässt sich der Anfangszustand nicht mehr herstellen, so dass die definierende Zyklizität des Prozesses eines Perpetuum Mobile nicht gegeben ist.

Kategorien von Perpetua Mobilia

Perpetua Mobilia werden nach dem thermodynamischen Hauptsatz kategorisiert, den sie verletzen würden. 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 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.

Zum Beispiel:

• 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 jedoch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme irreversibel ist. Umgangssprachlich lässt sich dies so formulieren, dass es unmöglich sei, im Raum gleich verteilte Wärmeenergie wieder in ungleich verteilte Energie zurückzuverwandeln (welche zum Antrieb von Maschinen nutzbar wäre) ohne hierfür zusätzliche Energie aufzuwenden. Zur Quantifizierung dieser Irreversibilität wurde der Begriff der Entropie eingeführt.

Prinzipiell ist ein Perpetuum Mobile der 2. Art daran erkennbar, 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, 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:

1. Es muss einen heißen und einen kalten Punkt geben
2. Eine Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen dem heißen und dem kalten Punkt
3. Die Wärme fließt durch die Wärmekraftmaschine, die nun einen Teil der Wärme in höherwertige Energieformen umwandeln kann
4. 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 Carnot-Wirkungsgrad, benannt nach dem französischen Offizier und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, 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 Schiff durchquert ein Gewässer, in dem es zum Antrieb Wärme aus dem Wasser entzieht.

Ein Gedankenexperiment von Maxwell veranschaulicht das Perpetuum Mobile 2. Art, der Maxwellsche Dämon.

Perpetuum Mobile dritter Art

Ein Perpetuum Mobile der 3. Art schließlich leistet keinerlei Arbeit, sondern behält lediglich seine anfängliche Bewegung bzw. Energie bei, ohne sich mit der Zeit abzubremsen. Im mikroskopischen Bereich laufen solche Prozesse ständig ab, man denke zum Beispiel an Supraleiter, bei denen der elektrische Widerstand Null ist. In makroskopischen Dimensionen sind solche Maschinen in guter Näherung als Grenzfall ohne jegliche Reibung möglich. Beispiele für so ein „Beinahe-Perpetuum-Mobile“ 3. Art sind etwa die Rotation von Planeten oder der Umlauf von Planeten um Sterne und reibungsminimierte Kreisel für die Navigation oder wissenschaftliche Zwecke. Auch auf Basis der Suprafluidität lassen sich solche Maschinen vorstellen. Ein ideales Perpetuum Mobile 3. Art ist hingegen in makroskopischen Systemen kaum möglich, da in solchen Systemen die Reibung nie völlig verschwindet.

Geschichte

  Erste Berichte über mechanische Perpetua Mobilia stammen aus Indien und dem Orient. Der indische Astronom Lalla beschreibt 748 in seinem Werk Sysyadhivrddhida Tantra ein PM-Rad. Gegen 1150 beschreibt der indische Mathematiker Bhaskara ein Perpetuum Mobile, das aus einem Rad besteht, welches 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 nicht möglich 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.^[1] Das vermeintliche Perpetuum Mobile des Franzosen Aldo Costa basiert auf einem anderen Prinzip. An einem Rad mit ca. 17 m 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.^[2]

Fehlinterpretierte Effekte und Prinzipien

Aus folgenden real auftretenden Effekten und Prinzipien wurden oder werden oft Perpetua Mobilia erdacht:

Thermische Maschinen

Eine weit verbreitete Bauart von scheinbaren Perpetua Mobilia basiert z. B. auf einem leichtgängig gelagerten Rad, welches durch eine räumliche Temperaturdifferenz eine Gewichtsverlagerung erfährt, die es (ohne äußeren Antrieb über die zentrale Welle) in Drehung versetzt. Zu dieser Klasse gehören z. B. das Feynman-Rad (flexibles Rad mit Gummibandspeichen, die sich auf der warmen Seite zusammenziehen und der kälteren wieder entspannen), ein Rad dessen Umfang mit an Bimetall-Stielen hängenden Gewichten besetzt ist, oder ein Rad aus paarweise gegenüberliegend verbundenen Druckbehältern, worin ähnlich einer Heatpipe ein durch Wärme verdampfendes Flüssiggas aufsteigt und so das Gewicht verlagert. Zahlreiche so konstruierte Räder wurden in Vergangenheit immer wieder für PM gehalten, da sie sich tatsächlich auf geheimnisvolle Weise oft über lange Zeit drehen konnten (mit geringer Leistungsabgabe), ohne dass ein Antrieb auffindbar war. Besonders eindrucksvoll sind auch kleine Stirlingmotoren, die auf der Hand allein durch die Körperwärme laufen.

Lösung: Da die Maschinen Wärme von der warmen zur kalten Seite transportieren bzw. die in den Bauteilen befindlichen Medien dabei einen Kreisprozess durchlaufen, handelt es sich letztlich um Wärmekraftmaschinen, die geringste Temperaturdifferenzen ausnutzen.

Wasserverdunstung

Eine ganze Reihe funktionierender Vorrichtungen nutzt die Entropiezunahme bei der Verdunstung von Wasser. Hierbei muss die Verdampfungsenthalpie aufgebracht werden, was zu einer Temperaturdifferenz des Wassers relativ zur umgebenden Luft führt – das Wasser wird kälter. Aus dieser Temperaturdifferenz kann tatsächlich Energie bezogen werden (z. B. Trinkvogel). Auch aus anderen Effekten der Verdunstung, wie der Verkürzung/Verlängerung von nassen und wieder trocknenden Seilen (die Entropiezunahme arbeitet hier zusätzlich gegen die Kapillarkraft) kann Energie gewonnen werden. Ähnlich bekannt sind Konstruktionen mit Schwämmen an einem Rad, die durch Gewichtsverlagerung bei der Verdunstung arbeiten.

Lösung: Die Energie, die einen Entropiezuwachs ermöglicht, entstammt dem atmosphärischen Ungleichgewicht, welches durch die Sonneneinstrahlung auf die Erde entsteht. In einem geschlossenen System würde sich die relative Luftfeuchtigkeit schon bald an 100 % annähern, wodurch die Verdunstung zum Erliegen käme.

Transformator

Mit einem Transformator kann man die Spannung hochsetzen und, wie z. B. bei einstellbaren Eisenbahntrafos, läuft dadurch alles schneller. Könnte man nicht eine Maschine bauen, die die Spannung einer Batterie wechselrichtet → mit einem Trafo auf eine höhere Spannung transformiert → wieder gleichrichtet → damit mehrere Batterien gleichzeitig lädt? Nein – beim Transformieren bleibt das Produkt aus Strom und Spannung (die Leistung) konstant. Wenn also die Spannung hochtransformiert wird, sinkt gleichzeitig der maximale Strom auf der Seite der höheren Spannung. Die Leistung zum Laden wird also nicht größer – sie wird sogar um den Wirkungsgrad des Transformators, des Wechselrichters und des Gleichrichters geringer. Verluste beim Trafo wären z.B. der elektrische Widerstand des Kupfers und magnetische Verluste des Eisenkerns.

Magnetismus

Es gibt eine Reihe von Vorschlägen eines Perpetuum Mobile, welches mit Dauermagneten oder zusätzlich mit einem durch diese erzeugten elektrischen Strom arbeitet.

Einfaches Beispiel: 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 der bekannten Geschichte des Barons von Münchhausen, der sich selbst an den Haaren aus dem Sumpf gezogen haben will – ohne einen festen (Kraft-Bezugs-)Punkt. Solche Ideen für Perpetua Mobilia verletzen zwar keinen Hauptsatz der Thermodynamik, wohl aber das Prinzip der actio und reactio der Newtonschen Mechanik.

Schwerkraft und Gaskinetik

Im 19. Jahrhundert gab es eine wissenschaftliche Problematik aufgrund eines kleinen Rechenfehlers, nach der die Temperatur von Gasen in Schwerefeldern nicht konstant sei und somit theoretisch ein Wärmefluss stattfinden müsste. Auch nach der Aufklärung des Fehlers gab es trotzdem noch ein Problem, welches in der potentiellen Energie des Fluids in einem Potentialfeld bestand. Die Lösung brachte die Relativitätstheorie, welche die Erklärung lieferte, warum in einem Gravitationspotential trotz eines Temperaturgefälles kein Wärmefluss stattfinden kann: Die Energie, welche am Boden mehr vorhanden ist bewirkt auch eine Massenzunahme - warme Gase sind geringfügig schwerer als Kalte und wandeln somit in einem Feld mehr kinetische Energie in potentielle Energie um. Es gilt hier eine relativistische Formel für den Wärmefluss, keine Standardformel.^[3]

Beispiele für potentielle Perpetua Mobilia

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 und des Energieerhaltungssatzes bestätigt. Gelegentlich ist es jedoch eine Denksportaufgabe, den physikalischen Fehler in einem Perpetuum Mobile zu entdecken und nachzuweisen.

Daher einige Beispiele zu solchen „Maschinen“, die allesamt keine Perpetua Mobilia sind:

Diese Vorrichtungen arbeiten tatsächlich, haben jedoch eine zunächst nicht erkennbare Energiequelle und erschienen so früher als Perpetua Mobila.  

• Mexikanische Springbohnen
• Lichtmühle
• Atmosphärische Uhr
• Zamboni-Pendel

• N-Maschine, ein Beispiel für die Motor-Generator-Konstruktion, bei der durch Messfehler und die Nichtbeachtung geringer, jedoch entscheidender Gegenkräfte der Eindruck eines Perpetuum Mobile erweckt wird.

Trivia

Das Deutsche Patent- und Markenamt weist Patentanmeldungen, die ein Perpetuum Mobile zum Gegenstand haben, unter Verweis auf die mangelnde Ausführbarkeit der Erfindung (gewerbliche Anwendbarkeit) nach § 1 PatG zurück.

Eine patentfähige Erfindung setzt voraus, dass eine Lehre zum technischen Handeln gegeben wird und diese zu einem konkreten Erfolg führt. Ist dies dadurch nicht gegeben, dass sich die Lehre objektiv nicht realisieren lässt, dann liegt keine Erfindung vor. Eine Erfindung liegt insbesondere dann nicht vor, wenn sie gegen anerkannte physikalische Gesetze verstößt (siehe BGH 1985 „Energiegewinnungsgerät“).

Quellen

1. ↑ http://www.galleri-finsrud.no/sider/mobile/mobile.html
2. ↑ http://nseo.com/aldocosta/
3. ↑ Wolfgang Dreyer, Wolf Weiss, 1997: Geschichten der Thermodynamik und obskure Anwendungen des zweiten Hauptsatzes, (PDF)