das -ExpErimEnt - Spektrum neo

das -ExpErimEnt
Grüne Energie erzeugen
78 Die Die Welt Welt im im Jahr Jahr 2050 2050
Eigenbau gelungen!
-Experimen tator
Moritz (9) ist richtig
stolz auf sein Werk:
So schnell hat er sich
die Drehung seines
Windrads gar nicht
vorgestellt. Ihr könnt
es ihm nachmachen!
Spektrum der WiSSenSchaft / manfred ZentSch

Aus Wind mach Strom
Wie können wir unseren ständig steigenden Energiehunger
möglichst umweltfreundlich stillen? Zum Beispiel, indem wir
Windkraft in elektrischen Strom umwandeln. Dazu muss die
Bewegungsenergie der Luft zunächst Rotationsenergie werden.
Wie das funktioniert, zeigen wir im -Experiment.
Rums! Eine Billardkugel kracht gegen
eine ruhende Kugel. Diese schießt davon,
während erstere ganz langsam zur
Seite kullert. Klar: Bewegungsenergie
wurde übertragen; Energie wurde weitergereicht.
Windkraftwerke funktionieren nach dem gleichen
Prinzip – denn Wind ist nichts anderes als
eine riesige Menge von dahinschießenden »Billardkugeln«,
nämlich Gasmolekülen. Prallen die
Moleküle auf die Flügel eines leicht schräg gestellten
Windrads, so geben sie ihre Bewegungsenergie
teilweise an die Flügel ab: Die Luft wird gebremst,
und die Rotoren beginnen sich zu drehen.
Wären die Rotorblätter nicht schräg ausgerichtet,
könnte sich die abgebremste Luft theoretisch
vor ihnen wie vor einer Hauswand stauen, und
nichts würde sich bewegen. Deswegen haben
moderne Windräder lange, schmale Flügel. Die
Richtig effektiv ist der Savonius-Rotor bisher
nicht. Doch an seiner Weiterentwicklung
arbeiten Ingenieure an vielen Orten. Auf der
Fotomontage seht ihr ein futuristisch wirkendes
Design aus Argentinien: So kann auf
der grünen Wiese Energie gewonnen werden.
überstreichen zwar eine große Kreisfläche, stellen
dem Wind aber nur wenig eigene Fläche in den
Weg. Der große Rest der Luft kann wegströmen.
Bei solchen »Horizontal­Rotoren« liegt die
Drehachse der Rotorblätter parallel zur Erdoberfläche
– wie der Horizont eben. Die Rotoren dieser
Windräder arbeiten nur optimal, wenn sie dem
Wind genau die Stirn bieten. Manche Windräder
sind aber komplett unabhängig von der jeweiligen
Windrichtung. Sie haben »Vertikal­Rotoren«. Das
bedeutet: Ihre Drehachse zeigt von unten nach
oben, von der Erde weg in den Himmel.
mit frdl. Gen. von miriam peterSen
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˘

˘
Wind
Stellt euch einen großen Holzlöffel vor, Modell
Suppenkelle. Man legt ihn waagerecht, mit der
Wölbung zur Seite, und montiert ihn an eine aufrecht
stehende Dreh achse. Dann bläst der Wind in
die Wölbung des Löffels und versetzt dadurch die
Achse in Drehung; so gerät der Löffel aus dem
Wind, und die gebremste Luft kann abfließen.
Wie die Luftmoleküle möglichst gut aus dem
Weg strömen, das hat der finnische Seemann und
Erfinder Sigurd Savonius in den 1920er Jahren in
vielen Experimenten erforscht. Der nach ihm benannte
Savonius­Rotor hat einen großen Vorteil:
Zur Achse hin bleibt der Luft durch einen Spalt etwas
Platz zum Abfließen (das siehst du in der rechten
Grafik oben). Er funktioniert unabhängig von
der Windrichtung und fängt schon bei sehr kleinen
Windgeschwindigkeiten an, sich zu drehen.
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Rotor
Drehrichtung
Drehachse
einfacher, s-förmiger Rotor
Welcher Rotor
ist der beste?
Kein echtes Windrad
erreicht den theoretisch
möglichen Wirkungsgrad
(rote Linie). Am meisten
Energie setzen Dreiblatt-
Rotoren um. Sie können
einen Wirkungsgrad von
etwa 50 Prozent erreichen.
Der Savonius-Rotor
hat andere Stärken.
Wirkungsgrad (in Prozent)
Wind
70
60
50
40
30
20
10
0
Drehrichtung
Savonius-Rotor
amerikanische
Windturbine
Savonius-Rotor
Bei einem Savonius­Rotor sind die »Suppenkellen«
zwei oder mehr gegeneinander versetzte Zylinderhälften,
die mit einer gemeinsamen Achse
verbunden sind. Die Bewegungsenergie des Winds
wird in einer Kelle des Rotors in Drehenergie umgewandelt.
Die Kelle bewegt sich, die nächste Kelle
gerät in die Windströmung und so weiter. Gleichzeitig
wirkt die Abluft aus der ersten Kelle in der
zweiten wieder antreibend.
Das Prinzip lässt sich an einfachsten Modellen
zeigen. Dazu muss man nur eine Röhre der Länge
nach halbieren und die Hälften versetzt an einer
Mittelachse, etwa einem Holz­ oder Metallstab,
befestigen. neo­Experimentator Moritz hat es ausprobiert
und sich einen eigenen Savonius­Rotor
als »Windfänger« gebaut – aus Alltagsgegenständen,
die eigentlich immer zu haben sind: Pappe,
Klopapierrolle, Strohhalm, Stricknadel oder dünner
Holzspieß, Korken, Holzperle, Flasche. Dazu
noch ein bisschen Kleber oder Tesafilm.
Zur Energiegewinnung muss die Drehbewegung
jetzt noch in elektrische Energie, also in
theoretischer, idealer
Wirkungsgrad
holländische
Windmühle
Darrieus-Rotor
Langsamläufer Schnellläufer
Das ist der Trick bei Savonius:
Im Gegensatz zum s-förmigen
Rotor kann die Luft durch den
Spalt in der Mitte »aus dem
Weg« fließen.
Dreiblatt-Rotor
Zweiblatt-Rotor
Einblatt-Rotor
= Bei dieser Schnelllaufzahl erreicht der Rotor
den maximalen Wirkungsgrad
Schnelllaufzahl (Umlaufgeschwindigkeit der Rotorspitzen geteilt durch Windgeschwindigkeit)

alle Grafiken dieSer doppelSeite: Spektrum der WiSSenSchaft / emde-Grafik
Klopapierrolle
ca. 8 cm
ca. 0,5 cm
Schneide zwei runde Scheiben aus mittelstarker
Pappe aus und mache jeweils ein Loch in die
Mitte. Halbiere eine Klopapierrolle der Länge
nach. Die Hälften klebst du auf die Scheiben,
so wie es die Zeichnung zeigt – fertig sind die
Rotorblätter. Sie sollten nicht s-förmig, sondern
etwas versetzt zueinander stehen (gestrichelte
orange Linien). Du kannst die Pappscheiben
auch einritzen und die Hälften der Klo papierrollen
durchstecken. In die Mitte klebst du einen
Strom, umgewandelt werden. So funktioniert es
in einem echten Windkraftwerk. Und auch das
kannst du mit deinem Savonius­Rotor nachmachen,
indem du einen Generator an dein Windrad
anschließt. Auf unserer Internetseite findest du
unter www.spektrum­neo.de/savonius eine ausführliche
Bauanleitung. Und die Ergebnisse deiner
Arbeit – ob mit oder ohne Stromerzeugung – werden
wir dort auch gern veröffentlichen! Schick
uns eine E­Mail mit einem Foto von deinem Windrad
an savonius@spektrum­neo.de!
Elke Reinecke ist Biologin und
Redakteurin bei Spektrum .
Bauanleitung
ca. 2 cm
Strohhalm
kreuzförmiger Fuß
des Strohhalms
Korken
Stricknadel
Holzperle
Korken
Strohhalm: die Achse. Das geht am besten,
indem du ihn an beiden Enden viermal
etwa zwei Zenti meter tief einschneidest
und so aufbiegst, dass ein Kreuz entsteht.
Wenn der Kleber getrocknet ist,
stecke einen passenden Stab durch die
Achse. -Experimentator Moritz hat
eine Stricknadel genommen, ein angespitzter
Holzstab geht aber genauso gut.
Stecke nun einen Korken auf jedes Ende
der inneren Achse, also des Stabs. Zwischen
den Rotor und den unteren Korken
fügst du noch eine Holzperle ein – als
»Kugellager«. Wenn du jetzt noch den
unteren Korken in den Hals einer Flasche
drückst (mit Wasser gefüllt, damit alles
standfest ist), ist dein Windrad fertig! Wer
mag, der baut gleich zwei Modelle, um sie
miteinander zu vergleichen: eines mit dem
echten Savonius-Rotor und das andere
mit einem einfachen, s-förmigen Rotor.
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