Perpetuum mobile

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Perpetuum Mobile)
Wechseln zu: Navigation, Suche
Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Andere Bedeutungen finden sich unter Perpetuum Mobile (Begriffsklärung)

Ein Perpetuum mobile (lat. ‚sich ständig Bewegendes‘, Pl. Perpetua mobilia) ist eine hypothetische Konstruktion, die – einmal in Gang gesetzt – ohne weitere Energiezufuhr ewig in Bewegung bleibt und dabei Arbeit verrichtet. Das Konzept widerspricht der Energieerhaltung, da das Perpetuum mobile Nutzenergie bereitstellen soll, ohne dass von außen Energie zugeführt wird.

In weiterem Sinne wird als "Perpetuum mobile zweiter Art" ein System bezeichnet, das zwar der Energieerhaltung entspricht, nicht aber dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der ähnliche Begriff "Perpetuum mobile dritter Art" wird nicht einheitlich verwendet.

Physikalische Unmöglichkeit des Perpetuum mobiles

Die Erhaltung der Energie in einem „abgeschlossenen System“ folgt aus der Definition für Energie im Formalismus der theoretischen Physik. Eine solche Definition erfolgt unter sehr allgemeinen Bedingungen z. B. in der Hamiltonschen Mechanik oder entsprechend mit Hilfe des Hamilton-Operators der Quantenmechanik. Nach dem mathematischen Noether-Theorem bleibt eine so definierte Energie genau dann erhalten, wenn sich die Art der physikalischen Wechselwirkungen zeitlich nicht ändert. Umgekehrt und genauer: Wenn sich die physikalisch definierte Gesamtenergie eines Systems ändert, z. B. zunimmt, dann enthält das zugehörige mathematische Modell zwingend einen Energiebeitrag, der nicht durch die Messgrößen des Systems allein bestimmt wird, sondern explizit von der Zeit abhängt. Dieser Energiebeitrag beruht dann also auf einem Einfluss von außerhalb des Systems. Es handelt sich somit nicht um ein abgeschlossenes System, das alle wechselwirkenden Bestandteile umfasst. Der Begriff „Perpetuum mobile“ bezieht sich im physikalischen und patentrechtlichen Sinne jedoch allein auf ein abgeschlossenes System, in dem definitionsgemäß die Erhaltung der Gesamtenergie gilt, also keine Energie entstehen oder verschwinden kann, woraus sich die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile ergibt.

Jeder Mechanismus, der messbar die Energie im heute bekannten Universum vermehrt statt sie lediglich umzuverteilen, weist nach oben Gesagtem zwangsläufig auf einen noch ungeklärten Einfluss von außerhalb des physikalisch beschriebenen Universums hin. Während eine solche Situation einen Mystiker ansprechen mag, stellt sie die Naturwissenschaft vor die Aufgabe, die Definition der Energie in einer umfassenderen Theorie mit mehr bzw. anderen Messgrößen zu erweitern. Man würde in einem solchen Fall zunächst nach Wechselwirkungen mit der Umgebung, wie z. B. Strahlung, oder nach inneren Freiheitsgraden suchen, z. B. (sub-)molekulare Wechselwirkungen, bis der beobachtete Energiegewinn als Umwandlung aus einer bisher nicht berücksichtigten Energieform aufgefasst werden kann. Auf diese Weise könnten jedoch auch noch unbekannte Grundkräfte entdeckt und beschrieben werden.

Theorien, welche die Existenz eines Perpetuum mobiles behaupten, gelten daher als pseudowissenschaftlich, da sie nicht dasselbe unter „Energie“ verstehen wie die Physik, sich aber in ihren Aussagen sehr wohl auf den physikalischen Begriff beziehen. Heutige Vertreter solcher Theorien weichen deshalb häufig auch auf andere Bezeichnungen aus, z. B. „Konverter für Freie Energie“. Hierbei darf der esoterisch belegte Begriff der „Freien Energie“ allerdings auch nicht mit dem wissenschaftlich-thermodynamisch belegten Begriff für die Freie Energie verwechselt 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 Wärme aus an sich totem Material durch Verbrennung erzeugt werden; damals wurde dafür der Begriff Energie noch nicht geprägt. Ende des Mittelalters wurde mit der Entdeckung des Schießpulvers 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 und ein Zusammenhang zwischen der Frequenz des Lichts und der kinetischen Energie, der durch das Licht von einer metallischen Oberfläche abgelösten Elektronen festgestellt. Dieser Effekt wurde im 20. Jahrhundert von Albert Einstein quantenmechanisch gedeutet. In seiner speziellen Relativitätstheorie wird die Äquivalenz von Masse und Energie postuliert, die mit der häufig zitierten Formel E=mc² ausgedrückt werden kann. Dass Masse und Energie ineinander überführbar sind, gilt heute als gesichertes Wissen. 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 unterschiedlichen Energiebegriffe, insbesondere die Äquivalenz zur Masse, folgten aus ganz anderen Teilgebieten der Physik als der Thermodynamik. Dennoch genügten sie dem Energieerhaltungssatz insofern, als neu entdeckte Energieformen nicht mit einem Wirkungsgrad von 100 % oder höher in bekannte Energieformen überführt werden können.

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 aber Anfangs- und Endzustand nicht identisch sind, 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, sodass es irgendwann aufhört, Arbeit zu verrichten. Danach lässt sich der Anfangszustand nicht mehr herstellen, sodass die definierende Zyklizität des Prozesses eines Perpetuum mobiles nicht gegeben ist.

Nach dem Noether-Theorem müssen physikalische Modelle oder Theorien, die bestimmte Voraussetzungen erfüllen, einen Energieerhaltungssatz enthalten, da in der Physik zu jeder Symmetrie auch eine Erhaltungsgröße gehört. Diese bestätigt sich durch Herausbildung von Phänomenen oder Strukturen auf der Makroebene seines Systems „welche wiederum auf der Grundlage des Zusammenspiels seiner Elemente beruht“. Dadurch wäre die Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes einsichtig, da er aus der plausiblen zeitlichen Invarianz der physikalischen Gesetze folgt.

Kategorien von Perpetua mobilia

Perpetuum mobile mit Wasserrad

Perpetua mobilia werden nach dem thermodynamischen Hauptsatz kategorisiert, den sie verletzen würden. Die Klassifikation gibt keinen Hinweis auf das beabsichtigte Funktionsprinzip des Perpetuum mobile.

Perpetuum mobile erster Art

Als Perpetuum mobile erster Art bezeichnet man eine Maschine mit einem Wirkungsgrad von über 100%, die nicht nur die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und zusätzlich Nutzenergie liefert (zum Beispiel ein einmal in Drehung versetzter elektrischer Generator), sondern auch zusätzliche Energie zur Überwindung von Energieverlusten, wie beispielsweise Reibungsverlusten. Eine solche Maschine verletzt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, den Energieerhaltungssatz, da sie Energie aus nichts erzeugen können müsste.

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 von 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 wegen der Verluste unmöglich. Diese führen letztendlich zu einer Temperaturerhöhung des Teils, an dem sie entstehen. 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

Ein Perpetuum mobile zweiter Art soll Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, ohne dass ein natives Temperaturgefälle notwendig wäre. Mikroskopisch kleinen Teilchen soll an bestimmten Orten des Perpetuum mobiles zweiter Art ein Teil ihrer Wärmeenergie entzogen werden. Diese ursprüngliche Wärmeenergie soll teilweise in Nutzenergie umgewandelt werden. Eine solche Maschine verletzt nicht den Energieerhaltungssatz, dafür den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, weil die Umwandlung von Arbeit in Wärme immer irreversibel ist. Es ist also unmöglich, im Raum gleich verteilte Wärmeenergie in ungleich verteilte Energie zu verwandeln (welche zum Antrieb von Maschinen nutzbar wäre) ohne hierfür zusätzliche Energie aufzuwenden. Zur Quantifizierung dieser Irreversibilität ist Mitte des 19. Jahrhunderts die Entropie definiert worden.

Prinzipiell ist ein Perpetuum mobile der zweiten 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 elektrische Energie umwandeln.

Der 2. Hauptsatz verlangt, 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 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; umso schlechter ist folglich 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 Kühlschrank wird betrieben, indem der Kompressor mit der Wärme aus den gekühlten Lebensmitteln angetrieben wird.
  • Ein Rad dreht sich, indem ihm Antriebsenergie, gewonnen aus der Wärme des Zimmers, zugeführt wird.
  • Ein U-Boot durchquert ein Gewässer, indem es zum Antrieb das umgebende Wasser abkühlt.

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

Ein weiteres Beispiel ist die Smoluchowski-Feynman-Ratsche (Molekulare Ratsche).

Eine elektronische Analogie zum Maxwellschen Dämon wäre die Gleichrichtung des thermischen Rauschens der Elektronen in einem elektrischen Leiter durch eine Halbleiter-Diode, die aber ebenfalls aus energetischen Gründen nicht funktionieren kann (Brillouin-Paradoxon).

Viele der Ideen zu molekularen Motoren und Maschinen, die ursprünglich reine Gedankenexperimente waren, werden nun von den Synthesemöglichkeiten der modernen Chemie erreicht. In Angewandte Chemie[1] stellen die Autoren alte und aktuelle Ideen vor und diskutieren die technischen Probleme und physikalischen Prinzipien. Nach einer Idee von Fritz Vögtle sollten topologisch chirale Rotaxane (kleine Propeller, deren Vorder- und Rückseite unterschiedliche Form haben) im thermischen Gleichgewicht mit einem chiralen Gas (z. B. H3C-CHClF) bevorzugt in eine Richtung rotieren.[2] Dieses hypothetische Phänomen, das augenscheinlich den 2. Hauptsatz zu verletzen scheint, konnte aber bisher noch nicht experimentell bestätigt werden.

Im Jahr 2000 wurden mögliche Verletzungen des zweiten Hauptsatzes in quantenmechanischen Systemen diskutiert. Allahverdyan und Theo Nieuwenhuizen berechnen die Brownsche Bewegung eines Quantenpartikels, das stark an ein Quanten–Wärmebad gekoppelt ist,[3] und zeigten, dass bei tiefen Temperaturen Energie aus einem Wärmebad durch zyklische Variation von Parametern gewonnen werden kann und somit eine scheinbare Verletzung des 2. Hauptsatzes aufgrund von Quanten-Kohärenz-Phänomenen vorliegt. Ihre Arbeit stieß damals auch auf Kritik.[4]

Nach Capek und Bok (1999)[5] ist der Maxwellsche Dämon unter bestimmten Voraussetzungen zur Selbstorganisation fähig. Dies führe zu einem expliziten Gedankenkonstrukt eines PM 2. Art.

Perpetuum mobile dritter Art

Die Benennung Perpetuum mobile dritter Art wird nicht einheitlich verwendet. Gemäß der Physik verstößt ein Perpetuum mobile dritter Art gegen den 3. Hauptsatz der Thermodynamik, d. h. es verwendet der Idee nach ein Wärmereservoir der Temperatur 0 K (oder kleiner). [6]

Gemäß dem Volksmund leistet ein Perpetuum mobile der dritten Art keinerlei Arbeit, sondern behält 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“ dritter 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 dritter Art ist hingegen in makroskopischen Systemen nicht möglich, da in solchen Systemen die Reibung nie völlig verschwindet.

Schein-Perpetuum-mobile

Ein Schein-Perpetuum-mobile nutzt z. B. kleine Druck- oder Temperaturschwankungen seiner Umgebung. Die Atmos-Uhr ist ein solches Beispiel. Auch ein empfindlicher Seismograph befindet sich immer in Bewegung und ist trotzdem kein Perpetuum mobile. Typisch für alle Schein-PM ist die geringe Leistungsdichte, d. h., es wird eine sehr große und schwere Apparatur benötigt, um zumindest einen geringen Energiebetrag nutzen zu können.

Geschichte

Perpetuum mobile des Villard de Honnecourt (um 1230)

Schon frühe Zivilisationen und Völker waren von der immerwährenden Himmelsmechanik fasziniert und starteten zu allen Zeiten "physikalische" Erklärungsversuche. Erste Berichte über mechanische Perpetua mobilia (PM) 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 II. 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 Francesco di Giorgio, 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 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 „Perpetuum mobile“ konstruiert, in welchem sich eine Kugel auf einer Kreisbahn bewegt.[7] Die genaue Funktionsweise ist nicht bekannt, aus der Beobachtung ergibt sich Folgendes: Die Kugel rollt an Magneten vorbei und die dadurch hervorgerufene Bewegung der an den Magneten befestigten Mechanik überträgt sich auf ein Pendel, welches wiederum eine Neigung der Kreisbahn zur Folge hat.[8] 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.[9]

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. ein flexibles Rad mit Gummibandspeichen, die sich auf der warmen Seite zusammenziehen und der kälteren wieder entspannen (Gough-Joule-Effekt), 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. Z. B. bei einstellbaren Modellbahntrafos fährt die Bahn bei höherer Spannung 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 geringer, denn sie wird mit den Wirkungsgraden des Transformators, des Wechselrichters und des Gleichrichters multipliziert, die alle kleiner als Eins sind. 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. Es wird auch immer wieder versucht, ein stationäres Magnetfeld örtlich begrenzt abzuschirmen. Hierbei wird zumeist missachtet, dass jedes Werkstück aus einem Material, das Magnetfelder abschirmen kann, z. B. Mu-Metall, an seinen Rändern seinerseits starke Magnetfelder erzeugt, die die Realisation der Erfindungsidee prinzipiell unmöglich machen.

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 (so etwa das „Perpetumobil“ in Michael Endes Jim Knopf und die Wilde 13). 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 nicht nur den Energieerhaltungssatz (Bewegungsenergie aus dem Nichts), sondern zusätzlich den Impulserhaltungssatz, das Prinzip der actio und reactio der Newtonschen Mechanik.

Schwerkraft und Gaskinetik

Im 19. Jahrhundert gab es eine wissenschaftliche Problematik aufgrund eines kleinen Rechenfehlers in einer Arbeit von James Clerk Maxwell,[10] nach der die Temperatur von Gasen in Schwerefeldern nicht konstant sei und somit theoretisch ein Wärmefluss stattfinden müsste. Auch nach der Aufklärung des Fehlers durch Maxwell selbst in derselben Arbeit wurde der Disput weitergeführt, zum Beispiel zwischen Ludwig Boltzmann und Loschmidt.

Der Grundgedanke dieser fehlerhaften Anschauung ist, dass in einem Knudsen-Gas die potentielle Energie der Gas-Moleküle mit zunehmender Höhe im Gravitationsfeld zunimmt, während die kinetische Energie der Gas-Moleküle mit zunehmender Höhe im Gravitationsfeld im gleichen Maße abnimmt, ähnlich wie es bei hüpfenden, ideal elastischen Bällen sein würde, was zu der falschen Annahme führt, dass die Gase mit zunehmender Höhe im Gravitationsfeld kühler werden müssten.

Bei relativistischer Betrachtung gibt es allerdings im Gleichgewicht ein Temperaturgefälle in der Atmosphäre. Einen Lösungsansatz brachte die allgemeine 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.[11]

Es scheinen aber immer noch offene Fragen zu existieren. Gemäß theoretischer Betrachtungen sollte der Effekt in einigen Systemen wesentlich größer sein, als die allgemeine Relativitätstheorie voraussagt.[12][13]

Ilya Prigogine äußert sich in seinem Buch zu der Problematik (Ilya Prigogine, Isabelle Stengers, 1981, Piper Verlag, München: Dialog mit der Natur, S. 210 ff):

„Tatsächlich wissen wir heute nicht, ob der Zweite Hauptsatz mit all den bekannten Wechselwirkungen zwischen Teilchen, namentlich mit der gravitativen Wechselwirkung, vereinbar ist. ... Wir wissen mit anderen Worten nicht, ob die Gravitation in den Zweiten Hauptsatz einbezogen werden kann. Was allerdings die kurzreichweitigen Kräfte der molekularen Wechselwirkungen betrifft, so haben wir gegenwärtig keinen Grund, an der Gültigkeit des Zweiten Hauptsatzes zu zweifeln. ...“

Beispiele für vermeintliche Perpetua mobilia

Gelegentlich findet man eine Idee, die nach einem Perpetuum mobile aussieht oder man wird gefragt, warum denn niemand dieses Perpetuum mobile 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 eine Denksportaufgabe, den physikalischen Fehler in einem Perpetuum mobile zu entdecken und nachzuweisen.

Das Lager einer Lichtmühle. Links die ungeschwärzte Seite eines Glimmerplättchens, rechts die geschwärzte.

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 mobilia.

Patentierbarkeit von Perpetua mobilia

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[14] PatG zurück. Der potenzielle Erfinder könnte einen Schutz seiner Erfindung nur dadurch erreichen, dass er dem Deutschen Patent- und Markenamt einen funktionstüchtigen Prototypen präsentiert.

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 (vlg. BGH BlPMZ 1985, 117, 118).

Die Pariser Akademie der Wissenschaften beschloss bereits 1775, keine Patentanträge auf ein Perpetuum Mobile mehr zur Prüfung anzunehmen.[15]

Weblinks

 Wikisource: Perpetuum Mobile – Quellen und Volltexte
 Commons: Perpetuum Mobile – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Kay, Leigh, Zerbetto: Synthetische molekulare Motoren und Maschinen, Angew. Chem. 2007, 119, 72-196
  2. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4542-4545
  3. Allahverdyan, Nieuwenhuizen: Extraction of work from a single thermal bath in the quantum regime. 2000, Physical Review Letters 85: 1799-1802, Allahverdyan, Nieuwenhuizen Extraction of work from a single thermal bath in the quantum region, Phys.Rev. Letters, Band 85, 2000, S. 1799-1802, Allahverdyan, Nieuwenhuizen Quantum brownian motion and its conflict with the second law, Proc. Quantum limits of the 2. Law, San Diego 2002
  4. Weiss, Science News 2000, pdf
  5. Capek, Bok: A thought construction of working perpetuum mobile of the second kind. 1999, Czechoslovak Journal of Physics 49: 1645-1652, (PDF; 114 kB)
  6. Landsberg, J. Phys. A 10, 1773 (1977)
  7. Finsruds Perpetuum mobile Video
  8. Perpetuum mobile
  9. Aldo Costa, la machine a gravitation
  10. Maxwell, On the dynamical theory of gases, Phil. Trans. Roy. Soc., Band 157, 1866, S. 534, Korrektur in einem Zusatz zu diesem Artikel
  11. Wolfgang Dreyer, Wolf Weiss, 1997: Geschichten der Thermodynamik und obskure Anwendungen des zweiten Hauptsatzes, Online
  12. Rolf Freitag, 1997: Effects of simulated surfaces on Knudsen gases in a homogeneous field and the second law of thermodynamics (PDF; 355 kB)
  13. Rolf Freitag, 1997: Untersuchung der Höhenabhängigkeit von Temperatur und Dichte im Knudsen-Gas im thermischen Gleichgewichthttp (PDF; 236 kB)
  14. "Patente werden für Erfindungen [...] erteilt, sofern sie [...] gewerblich anwendbar sind."
  15. zum Beispiel Wolfgang Bürger in der NZZ Folio 1995
Rechtshinweis Bitte den Hinweis zu Rechtsthemen beachten!