Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die allein durch äußere Wärmezufuhr betrieben wird. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren findet im Inneren keine Verbrennung statt. Stattdessen wird ein eingeschlossenes Arbeitsgas – beispielsweise Helium, Wasserstoff oder Luft – wiederholt erhitzt und abgekühlt. Durch diesen Temperaturwechsel entstehen Druckdifferenzen, die Kolben oder bewegliche Bauteile in Bewegung versetzen.
Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem schottischen Geistlichen Robert Stirling entwickelt. Ursprünglich sollte er eine sichere Alternative zur Dampfmaschine sein. Heute ist er aufgrund seines hohen theoretischen Wirkungsgrades, seines leisen Betriebs und der Möglichkeit, unterschiedlichste Wärmequellen zu nutzen, wieder interessant.
Grundprinzip: Energie aus Temperaturdifferenzen
Das Kernprinzip des Stirlingmotors basiert auf der Nutzung einer Temperaturdifferenz zwischen einer heißen und einer kalten Seite. Das Arbeitsgas bleibt dabei dauerhaft im Inneren des Motors eingeschlossen. Wird das Gas erhitzt, dehnt es sich aus und erzeugt hohen Druck. Wird es anschließend abgekühlt, sinkt der Druck wieder.
Dieser ständige Wechsel zwischen Expansion und Kompression sorgt dafür, dass Kolben oder freie Massen schwingen oder rotieren können. Da der gesamte Motor als geschlossenes System arbeitet, entstehen kaum Emissionen, und der mechanische Verschleiß ist gering.
Der Stirlingprozess im Detail
Der ideale Stirlingprozess besteht aus vier klar definierten thermodynamischen Schritten:
Isotherme Expansion
Das Arbeitsgas befindet sich auf der heißen Seite und wird unter konstanter Temperatur erwärmt. Obwohl die Temperatur konstant bleibt, nimmt das Gas Wärme auf und dehnt sich aus. Dadurch entsteht eine Druckkraft, die den Arbeitskolben nach außen schiebt. Dieser Schritt liefert die meiste mechanische Arbeit.
Isochore Wärmeabgabe
Das expandierte Gas strömt in Richtung der kalten Zone durch den Regenerator. Dabei gibt es Wärme an dieses Bauteil ab, ohne sein Volumen zu ändern. Der Regenerator speichert diese Wärme zwischen und trägt damit wesentlich zur Effizienz des Motors bei.
Isotherme Kompression
Auf der kalten Seite wird das Gas unter niedriger, konstanter Temperatur komprimiert. Da kaltes Gas einen geringeren Druck besitzt, ist hierfür deutlich weniger Energie nötig als bei warmem Gas.
Isochore Erwärmung
Auf dem Rückweg zur heißen Seite durchströmt das Gas erneut den Regenerator. Dabei nimmt es die zuvor gespeicherte Wärme wieder auf. Anschließend erreicht es die heiße Zone, und der Zyklus beginnt von vorn.
Diese Abfolge ermöglicht einen kontinuierlichen, gleichmäßigen und ruhigen Motorlauf.
Der Regenerator: Schlüssel zur Effizienz
Eine Besonderheit des Stirlingmotors ist der Regenerator – ein thermischer Zwischenspeicher, der dem Motor seinen hohen theoretischen Wirkungsgrad ermöglicht. Er besteht häufig aus feinem Drahtgewebe oder metallischen Strukturen, die über eine große Oberfläche verfügen. Beim Durchströmen gibt das Gas Wärme an dieses Material ab oder nimmt sie beim Rückfluss wieder auf. Ohne Regenerator würde ein Großteil der Prozesswärme verloren gehen, und der Motor wäre wesentlich weniger effizient.
Bauformen des Stirlingmotors
Stirlingmotoren gibt es in mehreren konstruktiven Varianten, die sich in Aufbau und Bewegungsablauf unterscheiden:
Alpha-Stirlingmotor
Er arbeitet mit zwei getrennten Zylindern – einem heißen und einem kalten – sowie zwei eigenständigen Kolben. Diese Bauform ermöglicht hohe Leistungen, stellt aber hohe Anforderungen an Dichtungen und Synchronisation.
Beta-Stirlingmotor
Hier befinden sich ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben in einem gemeinsamen Zylinder. Der Verdränger bewegt das Gas zwischen der heißen und der kalten Zone. Beta-Motoren sind robust und technisch weit verbreitet.
Gamma-Stirlingmotor
Er ähnelt dem Beta-Typ, hat jedoch einen separaten Arbeitszylinder. Das macht ihn einfacher zu bauen, allerdings weniger leistungsfähig. Häufig wird er in Lehrmodellen eingesetzt.
Freikolben-Stirlingmotor
Diese moderne Bauform verzichtet auf eine Kurbelwelle. Stattdessen schwingen die Kolben frei. Solche Motoren sind besonders leise, vibrationsarm und wartungsarm, weshalb sie oft in Spezialanwendungen eingesetzt werden.
Heutige Anwendungsbereiche
Auch wenn Stirlingmotoren keine Massenprodukte sind, werden sie in mehreren spezialisierten Einsatzfeldern genutzt. Dazu zählen Blockheizkraftwerke, in denen gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt werden, sowie solarthermische Anlagen, in denen konzentrierte Sonnenenergie den Motor antreibt. Zudem kommen Stirlingmotoren in der Raumfahrt zum Einsatz, da sie äußerst zuverlässig und langlebig arbeiten. In der Industrie dienen sie zur Nutzung von Abwärme, während Lehr- und Demonstrationsmodelle in Schulen und Universitäten thermodynamische Zusammenhänge anschaulich vermitteln.
