Robert Stirling
* 25.10.1790 in Cloag, Schottland
† 06.06.1878 in Galston, Schottland
ROBERT STIRLING war ein schottischer Pfarrer, der zusammen mit seinem Bruder JAMES, einem Mechaniker, mehrere Maschinen entwickelte und patentieren ließ. 1816 meldete er mit 26 Jahren sein erstes Patent an. Die Grundidee bestand darin, den heißen Wasserdampf der Dampfmaschine durch Luft als Arbeitsmittel zu ersetzen. Zwei Jahre später baute er den ersten Heißluftmotor, die als Antrieb für eine Wasserpumpe eingesetzt wurde und eine Leistung von 2 PS (1,5 kW) lieferte.
Die Entwicklung des Stirling-Motors erfolgte ohne Kenntnis der thermodynamischen Grundlagen und ist eine geniale Ingenieurleistung.
Mitte des 19. Jahrhunderts erreichten Heißluftmotoren einen höheren Wirkungsgrad als Dampfmaschinen und wurden in größerer Zahl als Industriemotoren verwendet. Eine Verbreitung von Heißluftmotoren wurde vor allem durch das Fehlen geeigneter Materialien zur Herstellung der Zylinderköpfe und den Abdichtungen zwischen Gasraum und Getriebeteil verhindert.
In England war die Zeit um 1800 geprägt durch den massenhaften Einsatz von Dampfmaschinen in Industrie und Bergbau. Häufig auftretende Explosionen der Dampfkessel konnte die Verbreitung der Dampfmaschine als Antriebsmittel nicht aufhalten. Neben der Erhöhung der Sicherheit wurde die Weiterentwicklung der Maschinen von dem Bestreben bestimmt, den Wirkungsgrad der Maschinen zu erhöhen. Es war die Zeit der Ingenieure, die im Wesentlichen auf empirischer Grundlage (die theoretischen Grundlagen waren noch nicht bekannt) geniale technische Leistungen vollbrachten.
Die physikalischen Grundlagen zur Erklärung der thermodynamischen Zusammenhänge bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit wurden erst 1824 durch die Veröffentlichung des Franzosen SADI CARNOT gelegt. Und auch dann dauerte es noch weitere 20 Jahre, bis durch die Arbeiten von JULIUS ROBERT MAYER 1842, JAMES PRESCOTT JOULE 1843, HERMANN HELMHOLTZ 1847 und RUDOLF CLAUSIUS 1850 die Fundamente der Thermodynamik aufgebaut waren.
Die Praxis, war in dieser Zeit der Theorie weit voraus. Der von ROBERT STIRLING gebaute Heißluftmotor ist ein markantes Beispiel dafür. Konnte doch selbst der berühmte MICHAEL FARADAY damals nicht erklären, warum die Maschinen funktionierten. Zu früh kam die Idee vom STIRLING-Motor aber auch für die Technik. Es fehlten geeignete Materialien (genügend druck- und temperaturbeständig) zur Herstellung der Zylinder. Wegen der großen Temperaturdifferenzen mussten die Zylinder nach mehrmonatigem Gebrauch ausgetauscht werden. Der hohe Verschleiß und die Größe der Maschinen verhinderten den ganz großen Erfolg der STIRLING-Motoren. Der Siegeszug der Explosions- und Elektromotore tat ein Übriges. Vergessen aber wurde das Prinzip nie. Immer wieder gab und gibt es Verbesserungen und Versuche, den STIRLING-Motor praxiswirksam zu machen.
Leben und Wirken
ROBERT STIRLING wurde am 25. Oktober 1790 in Cloag/Schottland geboren. Sein technisches Interesse wurde früh durch die Familie geprägt. Bereits sein Großvater entwickelte Maschinen für die Landwirtschaft. Auch sein Bruder JAMES wurde ein bekannter Ingenieur, der an der Weiterentwicklung der STIRLING-Maschinen großen Anteil hatte. Vier Söhne von ROBERT STIRLING wurden später ebenfalls Ingenieure.
Über die Schulzeit ROBERT Stirlings ist wenig bekannt. Vermutlich studierte er von 1805 bis 1808 an der Universität Edingburgh. 1809 begann er ein Studium der Theologie und Rechtswissenschaft an der Universität Glasgow. Nach erfolgreichem Examen wurde er 1816 von der schottischen Kirche zum Priester geweiht. Im gleichem Jahr, am 16. November 1816 erhielt er in sein erstes Patent für eine Heißluftmaschine.
Ab 1837 war er Minister der Presbyterianischen Kirche in Galston. Dort verstarb er am 6. Juni 1878 im Alter von 88 Jahren als „Father of the Church of Scottland“.
Wissenschaftliche Leistungen
Das Patent Nr. 4081 mit dem Titel „Entwicklung zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungs-Maschinen nach einem völlig neuen Prinzip“ erhielt der schottische Reverend ROBERT STIRLING am 16. November 1816. Mit ihm beginnt eine bis in die Gegenwart reichende Entwicklung von Motoren, die heute nach dem ursprünglichen Arbeitsmittel als Heißluftmotore oder nach ihrem Erfinder als STIRLING-Motore bezeichnet werden.
Zwei Jahre nach Erteilung des Patents stellte ROBERT STIRLING den ersten funktionieren Heißluftmotor fertig. Der Zylinder hatte eine Höhe von 3 m und einen Durchmesser von 0,6 m. Die Maschine wurde zum Antrieb einer Pumpe eingesetzt und leistete ca. 2 PS (1,5 kW). Fast zwei Jahre lang arbeitete die Maschine, bis der Zylinder durchbrannte. Durch die hohen Temperaturdifferenzen zunderte das Material schnell ab und brannte schließlich durch. Das war ein entscheidender Nachteil aller im 19. Jahrhundert gebauten Heißluftmotoren.
Im Gegensatz zu anderen Wärmekraftmaschinen arbeiteten die STIRLING-Motoren mit einem geschlossenen Kreislauf, d.h. die zum Antrieb verwendete Luft war stets dieselbe. Der Bruder JAMES kam 1824 auf die Idee, den Wirkungsgrad der Maschine durch Erhöhung des Innendrucks zu steigern. Zwischen 1824 und 1840 entwickelten die Brüder STIRLING mehrere Heißluftmaschinen, die einen höheren Wirkungsgrad hatten als die damaligen Dampfmaschinen. Am bekanntesten ist die aufladbare, doppelwirkende Stirling-Maschine mit einem Innendruck von ca. 16 bar und einer Leistung von bis zu 37 PS. Aber auch sie geriet bald in Vergessenheit, da die Materialprobleme nicht beseitigt werden konnten.
Das große Interesse, das Stirling-Motoren bis heute entgegengebracht wird, beruht vor allem darauf, dass der Antrieb durch eine äußere Verbrennung erfolgt und damit beliebige Brennstoffe und auch regenerative Energien, z. B. die Energie der Sonne, zum Antrieb genutzt werden können.
