Elektrostatische Rotation
Nach Prof. Dr. Claus W. Turtur

Auf der Homepage von Prof. Turtur, der an der Fachhochschule Braunschweig tätig ist, finden sich einige Ideen zur Nutzung von "Vakuumenergie". Darunter ist auch das hier beschriebene Experiment, welches mit Hilfe eines elektrostatischen Rotors die Nullpunktenergie nutzbar machen soll. Da ich mich bereits intensiv mit elektrostatischen Motoren und mit der Vakuumtechnik beschäftigt habe, war es mir relativ leicht möglich, dieses Experiment nachzustellen.

Nach der Idee von Prof. Turtur kann durch ein zeitlich konstantes elektrisches Feld die Nullpunktenergie ausgekoppelt und auf einen Rotor übertragen werden, der dadurch in Drehung versetzt wird. Er führt diesen Effekt auf die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes im Raum zurück.
Da die zu erwartenden Kräfte sehr klein sind, verwendet Prof. Turtur in seinem Aufbau einen aus Alufolie gefertigten Rotor, der unter einer leitenden Feldplatte auf einer Flüssigkeit wie Öl oder Wasser schwimmt. Das Experiment wurde zuerst in Luft und später auch im Vakuum durchgeführt und es soll immer zu einer Energieübertragung auf den Rotor, also zu einer Drehbewegung gekommen sein. Bei seinen neuesten Messungen soll er auch bestätigt haben, dass mehr mechanische Energie erzeugt wird, als an elektrischer zugeführt wird.

1. Rotor Dieses Bild zeigt die erste Version meines Nachbaus dieses Experiments. Die Feldplatte aus Aluminium ist auf 3 Stäben aus Kunststoff montiert. In der Mitte der Feldplatte ist ein Isolierstück aus Kunststoff angebracht, an dessen oberer Klemme eine leitende Verbindung zum Rotor besteht.
Der Aufbau des ersten Rotors war einfach gehalten. Auf einem Drahtgerüst aus Kupferdraht wurde eine selbstklebende Alufolie angebracht. Dieser Aufbau zeigte sich aber später als ungeeignet für den Einsatz im Hochvakuum, weil aus dem Klebstoff ständig Teilchen austraten und das Vakuum verschlechterten. Durch dieses Austreten könnte außerdem ein unerwünschtes Drehmoment auf den Rotor übertragen werden.

Die Lagerung

Es ist notwendig, ein Lager mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu verwenden. Prof. Turtur hat dazu seinen Rotor mit Schwimmkörpern ausgestattet, die ihn auf der Oberfläche von Wasser bzw. Öl treiben lassen. Ein solches hydrostatisches Lager hat den großen Vorteil, dass es kein Losbrechmoment besitzt und sich somit zu drehen beginnt, sobald auch nur das kleinste Drehmoment auf den Rotor wirkt. Eine solche Lagerung hat aber zwei entscheidende Nachteile. Zum einen ist der elektrische Kontakt zum Rotor nicht mehr gegeben und muss mit dünnen Drähten wieder hergestellt werden. Zum anderen ist der Einsatz von Öl im Vakuum problematisch. Wie aus der Vakuumtechnik bekannt ist, muss ein Aufbau, der im Hochvakuum eingesetzt werden soll, unbedingt ölfrei gehalten werden, da aus dem Öl immer wieder leicht flüchtige Stoffe in das Vakuum übertreten.
Ich habe daher als Lagerung eine "halbmagnetische" Variante gewählt. Ursprünglich sollte das Lager nach dem Prinzip der diamagnetischen Levitation arbeiten, was aber aufgrund des zu hohen Gewichts des Rotors nicht möglich war. Deshalb wurde ein Reibungslager konstruiert, welches nur einen einzigen Kontaktpunkt zwischen zwei Kugeln besitzt, die magnetisch in Position gehalten werden. Das ergibt die kleinst mögliche Reibung und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung.

Halbmagnetisches Lager Ringmagnet: Magnetmaterial: Neodym, AD: 6 mm, ID: 2 mm, Dicke: 2 mm
Feststehende Kugel: Lagerkugel aus gehärteten Stahl, 11 mm Durchmesser
Rotierende Kugel: Lagerkugel aus gehärteten Stahl, 8 mm Durchmesser
Das Bild zeigt das zentrale Isolierteil mit dem Lager. Unmittelbar unterhalb des Isolierteils ist ein kleiner Ringmagnet (goldfarbig) durch die Magnetkräfte auf ein Eisenstück geklebt, das in dem Isolierteil steckt und über ein Stück Draht die elektrische Verbindung zur oberen Klemme herstellt. Direkt in das Innenloch des Ringmagnets wurde eine gehärtete Stahlkugel eingesetzt, welche ebenfalls durch die Magnetkräfte festgehalten wird. An dieser Kugel haftet nun die zweite, bewegliche Kugel, die am Ende der Rotorwelle eingepresst ist.
Die Einstellung der Magnetkraft hat so zu erfolgen, dass der Rotor gerade noch festgehalten wird. Jede zu hohe Magnetkraft vergrößert sofort die Reibung. Die Magnetkraft kann man durch unterschiedliche Magnete, durch Beilagen zwischen Ringmagnet und erster Kugel, sowie auch mit verschiedenen Kugeldurchmessern einstellen.
Bei ungünstigen Kugeldurchmessern kann es jedoch vorkommen, dass die bewegliche Kugel an der Oberfläche der feststehenden Kugel abzurollen beginnt und somit zu taumeln anfängt.
Um ein Beispiel zu geben, wie eine optimale Einstellung aussehen muss, sei nur gesagt, dass der Rotor nur mehr so leicht haftet, dass er sofort herunterfällt, wenn nach dem Einschalten der Vakuumpumpe ein Luftstrom in der Glocke entsteht. Nur mit einer solchen Einstellung können die nötigen Reibungsverluste im nW (Nano Watt) Bereich erreicht werden !
Um ein vorzeitiges Abwerfen des Rotors während des Evakuierens zu verhindern, wurde ein großer Ringmagnet mit 10cm Durchmesser von außen so auf die Vakuumglocke gelegt, dass er das Magnetfeld des kleinen Ringmagneten verstärkt. Erst wenn das Vakuum aufgebaut ist, kann der große Magnet entfernt werden und erst dann zeigen sich die beschriebenen Effekte. Bei einer nur etwas größeren Magnetkraft im Lager würde man demnach überhaupt keine Rotationseffekte beobachten !

2. Rotor Die zweite Version des Rotors wurde ohne Klebstoff aus massivem Aluminium gefertigt, um einen Einsatz im Hochvakuum zu ermöglichen. Das Bild zeigt den Aufbau mit den elektrischen Anschlüssen, vorbereitet für den Einsatz einer Vakuumglocke aus Kunststoff, wie sie bereits bei den Vakuumversuchen erfolgreich eingesetzt wurde. Die Spannungszuführung zur Feldplatte muss wegen der später eingesetzten Glasglocke von unten, über eine Hochspannungsdurchführung im Flansch der Turbopumpe erfolgen. Es ist wichtig, ein geschirmtes Koaxialkabel zu verwenden, damit es im Bereich des Rotors nicht zu Feldverzerrungen kommt, die den Rotor ungünstig beeinflussen könnten. Die Schirmung des Kabels wird direkt mit den Metallteilen der Turbopumpe verbunden.

Feldplatte: Material: Aluminium, Durchmesser: 20 cm, Dicke: 1 mm
Abstand zur Rotoroberkante 7 cm
Rotor: Material: Aluminium, Durchmesser: 15 cm
Wellenlänge: 5 cm, Wellendurchmesser 10 mm
Abmessungen der Flügel: 7 cm x 4 cm, Anstellwinkel der Flügel: 45 °
Mittenisolator: Material: Nylon 66, Länge: 70 mm, Länge unter der Feldplatte: 30 mm
Stützen:
Material: Derlin, Länge 19 cm, Durchmesser 10mm

Beobachtungen in Luft

Bei den ersten Versuchen mit Spannung fallen zunächst sofort die elektrostatischen Kräfte auf. Nach dem Anlegen von einigen kV an die Feldplatte kippt der Rotor leicht zur Seite, da er vom elektrischen Feld nach oben gezogen wird. Das kann bei ungenauer Auswuchtung schon eine kurze Rotation verursachen, führt aber bei einer statischen Spannung zunächst zu einer Pendelbewegung und letztlich immer wieder zum Stillstand. Um diesen Effekt zu verringern, wurde eine möglichst lange Rotorwelle gewählt.
Bei Spannungen über 10 kV treten an der freien Luft Sprühentladungen an den Kanten des Rotors auf. Je nachdem wo sie entstehen, dreht sich der Rotor dann in unterschiedliche Richtungen.
Der Rotor reagiert generell sehr empfindlich auf elektrostatische Felder. So kann er z.B. durch ein aufgeladenes Kunststofflineal aus einer Entfernung von ca. 10 cm in Drehung versetzt werden.
Durch eine Ionenquelle, wie etwa mit einem Luftionisierungsgerät, kann der Rotor ebenfalls in Bewegung versetzt werden.
Nach diesen Beobachtungen erscheinen weitere Versuche in Luft nicht zielführend zu sein, weil zu viele mögliche Störfaktoren auftreten und so wurde als nächstes das Vakuumsystem aufgebaut.

Das Vakuumsystem

1. Vakuumsystem Für die Erzeugung des Vakuums wurde die von den Vakuumversuchen her bewährte Kombination aus einer zweistufigen Drehschieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe verwendet. Zur Messung des Vakuums dient eine thermische Piranni Messzelle mit einem Messbereich bis 10^-6 mbar. Der hier abgebildete Aufbau benutzt eine Vakuumglocke aus Polyetherimid (PEI). Da sehr viele Kunststoffteile Kontakt mit dem Vakuum haben, ist damit nur ein Vakuum im Bereich von 10^-4 mbar zu erreichen.

Beobachtungen im Vakuum

Bei den Versuchen im Vakuum zeigt sich, wie stark der Einfluss der Luftreibung auf den Rotor ist. Wird der Rotor einmal kurz angestoßen, so dreht er sich in Luft nur für sehr kurze Zeit. Im Vakuum hingegen läuft er viele Minuten lang weiter, nachdem er einmal beschleunigt wurde. Dementsprechend wirken sich auch kleine Fehler in der Auswuchtung viel stärker aus und führen mitunter zu minutenlangen Pendelbewegungen.
Der Rotor reagiert auch noch empfindlicher auf elektrostatische Felder in seiner Umgebung. So kann man ihn z.B. durch Reiben der Kunststoff-Vakuumglocke ohne angelegte Spannung in Bewegung versetzen. Selbst bei angelegter Spannung reicht es aus, sich nur der Feldplatte zu nähern, um das Feld soweit zu verzerren, dass bereits eine Bewegung auftritt. All diese Störeinflüsse sind letztlich aber zu beherrschen, doch dann zeigte sich ein neues Problem.

Ein unerwarteter Effekt

Bei Auslaufmessungen unter Vakuumbedingungen bei etwa 10^-4 mbar zeigte sich ein plötzlicher Anstieg der Rotordrehzahl, obwohl überhaupt keine Spannung an der Feldplatte angelegt war. Dabei drehte sich der Rotor immer so, wie wenn eine Luftströmung von oben nach unter in der Vakuumglocke vorliegen würde. Bei umgekehrter Drehrichtung wird der Rotor bis zum Stillstand abgebremst und dann in der entgegengesetzten Richtung wieder beschleunigt. Legt man Spannung an die Feldplatte, so tritt der Effekt in genau gleicher Weise auf und könnte fälschlicherweise als der gesuchte Energiezufluss in das System interpretiert werden.
Da sich aber zusätzlich eine Temperaturabhängigkeit zeigte, konnte der Effekt weiter eingegrenzt werden. Bei ca. 15 °C trat dieser Effekt nur mehr sehr schwach auf. Durch Anwärmen der Vakuumglocke konnte die Rotation dann sofort wieder ausgelöst werden. Das lässt nur einen Schluss zu: Aus dem Kunststoff der Glocke treten so viele Teilchen in das Vakuum über, dass sie eine Strömung hin zur Turbopumpe verursachen, die den Rotor antreibt. Um auch diesen Einfluss ausschließen zu können, musste das Vakuumsystem weiter verbessert werden.

Verbesserung des Vakuumsystems

2. Vakuumsystem Dazu wurde die Grundplatte aus Kunststoff gegen eine Aluminiumplatte ausgetauscht und die Kunststoff-Vakuumglocke wurde gegen einen zweckentfremdeten Exsikkator (=Gefäß für die Vakuumtrocknung) aus Glas ausgetauscht. Nach Optimierung des Dichtungsmaterials war es dann mit diesem Aufbau möglich, ein Vakuum von besser als 10^-6 mbar (10^-6 ist der Messbereichsendwert der Messzelle) zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen trat dann kein störender Antriebseffekt auf den Rotor mehr auf. Somit waren zunächst einmal die Bedingungen für eine vernünftige Messung geschaffen.
In diesem Zustand zeigte sich nach Anlegen von Spannung an die Feldplatte keine Beschleunigung des Rotors. Auch wenn der Rotor zuvor manuell beschleunigt wurde, konnte im Auslaufvorgang keine Veränderung durch Anlegen von Spannung hervorgerufen werden.

Messungen

Unter idealen Bedingungen, also mit der Vakuumglocke aus Glas, mit einem komplett ölfreien Aufbau, mit möglichst wenig Kunststoff im Vakuum und mit einem Rotor aus reinem Aluminium wurde bei einem Vakuum von besser als 10^-6 mbar eine Messreihe durchgeführt. Da der Rotor unter angelegter Spannung nicht von selbst beschleunigt, konnten nur die Reibungsverluste für die unterschiedlichen Fälle ermittelt werden.
Dazu wurde der Rotor jeweils vor Beginn einer Messung manuell auf etwa 1 Umdrehung in 10 Sekunden beschleunigt. Das geht z.B. indem man die Hochspannung mehrere Male im richtigen Augenblick ein- und ausschaltet. Durch die vorhandenen Unsymmetrien im Feld kann man ihn so in eine vollständige Drehbewegung bringen. Nach einer Einlaufzeit von ca. 1 Minute zum Abbau von Schwingungen wurde dann mit der Messung der Zeit bis zum Stillstand des Rotors begonnen. Die Auslaufzeit beträgt etwa 15 Minuten. Zusätzlich wurde jede Minute die Zeit für eine komplette Umdrehung des Rotors gemessen, um die genaue Startdrehzahl zu erhalten und um den Drehzahlverlauf über der Zeit darzustellen. Da es sich um sehr lange Zeiten handelt, wurde zur Messung nur eine manuell bediente Stoppuhr verwendet.
Es wurde jeweils eine Messung ohne Spannung und mit +6kV Spannung an der Feldplatte für jeweils beide Drehrichtungen durchgeführt. Aus den ermittelten Auslaufzeiten wurde über das Massenträgheitsmoment des Rotors auf die mittleren Reibungsverluste des Lagers zurückgerechnet, die 16,9 nW betragen. (Ja wirklich Nano Watt ! Ich hätte es nicht für möglich gehalten, dass ein Reibungslager mit solchen Werten gebaut werden kann.) Dieser Aufbau ist in der Lage, einen Energiezufluss im Bereich von wenigen nW nachzuweisen ! Bereits 16,9 nW würden demnach ausreichen, um eine dauerhafte Rotation mit einer mittleren Drehzahl von etwa 1 Umdrehung in 20 Sekunden hervorzurufen.

Messergebnisse

Dieses Diagramm zeigt die übereinander gelegten Auslaufkurven für die 4 gemessenen Fälle. Es ist keine längere Auslaufzeit bei angelegter Spannung zu erkennen. In jedem Fall kam der Rotor von selbst zum Stillstand. Auch die Kurvenform lässt nicht einmal ansatzweise erkennen, dass ein Energiezufluss in das System stattfinden könnte. Es müsste zumindest einen klaren Unterschied im Kurvenverlauf zwischen der Drehrichtung im Uhrzeigersinn (UZS) und gegen den Uhrzeigersinn (GUZ) geben, weil der gesuchte Effekt ja eine eindeutige Vorzugsrichtung haben soll, die bei dem verwendeten Rotor im Uhrzeigersinn liegt.

Download von "Turtur.xls"
Diese Excel-Datei (38kB) enthält die Daten der Messung.
Auf der ersten Seite erfolgt die Berechnung des Massenträgheitsmomentes und der Reibungsverluste. Auf der zweiten Seite befinden sich die eigentlichen Messwerte.

Interpretation der Messungen

In der folgenden Tabelle sind noch einmal die ermittelten Reibungsverluste dargestellt.
Spannung Drehrichtung Reibungsverluste Mittlere Reibungsverluste
0kV UZS 14,9 nW 14,6 nW
0kV GUZ 14,3 nW
6kV UZS 20,1 nW 19,2 nW
6kV GUZ 18,3 nW
Da der Rotor nie von selbst in eine dauerhafte Rotation kam, konzentrierten sich die Untersuchungen auf das eventuelle Vorhandensein eines Energieeintrags, der unter den Reibungsverlusten des Lagers liegt. Ein solcher müsste sich in einem Absinken der gemessenen Reibungsverluste, bzw. in einer längeren Auslaufzeit darstellen. Der Fall 6kV mit Drehrichtung im Uhrzeigersinn müsste demnach die geringsten Reibungsverluste aufweisen. Leider ist es genau umgekehrt. Es ist eine Erhöhung der Reibung bei angelegter Spannung festzustellen. Das wird dadurch verursacht, weil der Rotor im elektrischen Feld nach oben gezogen wird, und somit ein stärkerer Druck auf die Lagerstelle ausgeübt wird, als ohne Spannung. Diese zusätzlichen Reibungsverluste betragen im Mittel 4,6nW. Es ist ungünstig, dass diese zusätzliche Reibung gerade bei dem zu untersuchenden Fall mit Spannung an der Feldplatte auftritt. Dadurch könnte ein eventuell real vorhandener Effekt überdeckt und nicht erkannt werden. Erst wenn mehr als 5nW an Energie in dem System freigesetzt werden, könnte das nachgewiesen werden.

Das elektrostatische Feld hat schon für so manche Spekulation gesorgt. Das zeigen die vielen Experimente auf der Elektrotechnikseite. Allen voran ist natürlich die Testatika zu erwähnen, die wohl auch auf einem noch nicht bekannten Prinzip in der Elektrostatik basiert. Die Materie scheint aber doch komplexer zu sein, als dass mit so einem einfachen Aufbau, wie ihn dieser Rotor darstellt, bereits Energie aus dem elektrischen Feld ausgekoppelt werden kann.

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