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Perpetuum Mobile

Diverse Maschinen, beispielsweise Elektromotoren, können dauerhaft in Bewegung bleiben, sind dabei jedoch auf eine stetige Energiezufuhr von außen angewiesen. Eine Maschine, die sich ohne Energiezufuhr ewig bewegen könnte, würde als Perpetuum Mobile bezeichnet. (Die nur zeitweise Funktion z. B. unter Verwendung einer eingebauten Batterie, die mit der Zeit erschöpft wird, würde dafür nicht gelten.) Vor allem wenn sie dabei noch ständig nutzbare Energie abgeben könnte, wäre das offensichtlich eine sehr attraktive Errungenschaft: Man müsste nur genügend viele oder große von diesem Maschinen bauen, um damit den Energiebedarf der Menschheit dauerhaft decken zu können. Nur ist es nach dem heutigen Stand der Wissenschaft leider nicht zu erwarten, dass ein wie auch immer gebautes Perpetuum Mobile tatsächlich funktionieren könnte, weil dies sonst grundlegenden Naturgesetzen widerspräche, deren Verletzung nach allem vorhandenen Wissen unmöglich scheint. Zwar wurden schon öfters angeblich funktionierende Perpetuum Mobile präsentiert – als Pläne (Gedankenexperimente) ohne sogar als tatsächlich gebaute Maschinen –, aber einer wissenschaftlichen Prüfung haben sie nie standgehalten. Entweder wurde eine versteckte Energiequelle (bzw. Quelle von Exergie) entdeckt, oder es funktioniert einfach nicht.

Es gab bereits sehr viele unterschiedliche Ansätze für die Entwicklung eines Perpetuum Mobile, die in gewissen grundlegenden Eigenschaften stark unterschiedlich sind. Man unterscheidet sie insbesondere danach, welchen der Hauptsätze der Thermodynamik sie verletzen würden, wenn sie funktionierten. So spricht man von einem Perpetuum Mobile erster Art, wenn es den ersten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, und entsprechend von der zweiten oder dritten Art (siehe unten).

Perpetuum Mobile erster Art

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik formuliert im Wesentlichen das grundlegende Prinzip der Energieerhaltung: Die gesamte Energie eines abgeschlossenen (von der Umgebung isolierten) Systems bleibt bei allen ablaufenden Prozessen unverändert. Energie kann also weder aus dem Nichts geschaffen werden oder spurlos verschwinden. Einzig kann Energie von einer Form in eine oder mehrere andere Formen umgewandelt werden.

Ein Perpetuum Mobile 1. Art (siehe Abbildung 1) würde also ständig Energie abgeben können (z. B. in Form von mechanischer Arbeit), ohne Energie in anderer Form aufzunehmen. Diverse historische Ansätze für ein Perpetuum Mobile waren von dieser Natur. Beispielsweise sollte ein Wasserkreislauf geschaffen werden, in dem nach unten transportiertes Wasser Energie abgibt, aber trickreich mit weniger als dieser Energiemenge wieder zum Ausgangspunkt gebracht werden kann, so dass noch nutzbare Energie übrig bleibt. Ähnliches wurde auch basierend auf festen Gegenständen vielfach versucht. So etwas schließen die bekannten Gesetze der theoretischen Mechanik (z. B. in Form der Hamiltonschen Mechanik) aber strikt aus – gleich auf welche Weise man es versuchen möge. Im Einzelfall kann es aber durchaus nicht-trivial sein, den jeweiligen Fehler aufzudecken, an dem die Realisierung eines vorgeschlagenen Perpetuum Mobile scheitert.

Perpetuum Mobile zweiter Art

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bringt zusätzliche Einschränkungen für mögliche physikalische Vorgänge, insbesondere für die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Dahinter steckt nach modernem Verständnis der Grundsatz, dass die gesamte Entropie eines geschlossenen Systems nie abnehmen kann. Das wäre aber der Fall, z. B. wenn eine Maschine in einer Umgebung mit überall gleicher Temperatur aus dieser Umgebung Wärme aufnehmen und in mechanische Energie verwandeln würde (Abbildung 2): Anergie ist nämlich quasi entropiereiche Energie, Exergie dagegen entropiefreie Energie. Eine solche Maschine würde also effektiv zwar nicht unbedingt Energie erzeugen (wie ein Perpetuum Mobile erster Art), jedoch würde sie niederwertige Energie (Anergie) in Exergie umwandeln. Beispielsweise würde dies ein U-Boot erlauben, dessen Antrieb lediglich dem umgebenden Wasser Wärme entzieht, wobei die Antriebsenergie am Ende wieder dem Wasser als Wärme zugeführt würde, z. B. durch Reibung. Ähnlich wäre eine Kältemaschine, die sogar Strom erzeugt aus der aufgenommenen Wärme, ein Perpetuum Mobile zweiter Art und somit unmöglich.

Eine ähnliche Variante wäre eine Maschine, die direkt elektrische Energie aus Wärme erzeugt, ohne dafür ein Temperaturgefälle zu benötigen und Abwärme abzugeben.

Das gleiche Gesetz würde auch verletzt, wenn Wärme von einem Medium niedrigerer Temperatur auf ein Medium mit höherer Temperatur übertragen würde, ohne dass zusätzlich Exergie aufgewandt werden müsste (etwa als Antriebsenergie einer Wärmepumpe). Würde dies gelingen, könnte man damit ein Haus allein mit Hilfe von Umgebungswärme heizen, beispielsweise auch in dunkler kalter Nacht. Eine solche Maschine könnte man außerdem auch mit einer Wärmekraftmaschine verbinden, die dann auch mechanische Energie liefern würde.

Übrigens käme bereits eine Wärmekraftmaschine (Abbildung 3) mit einem Wirkungsgrad oberhalb des Carnot-Wirkungsgrads einem Perpetuum Mobile zweiter Art gleich, bzw. ließe sich leicht dazu ergänzen, z. B. mit einer Wärmepumpe, die die Abwärme wieder dem Wärmereservoir der höheren Temperatur zuführt.

Perpetuum Mobile 3. Art

Vergleichsweise wenig Material gibt es im Zusammenhang mit dem Perpetuum Mobile 3. Art. Es würde, wenn man es auf den 3. Hauptsatz der Thermodynamik bezieht, ein Reservoir am absoluten Nullpunkt der Temperatur voraussetzen, was nach diesem Hauptsatz jedoch nicht existieren kann.

Es gibt in der Literatur aber auch die Definition, dass ein Perpetuum Mobile 3. Art lediglich sich ewig bewegen würde, ohne aber Energie abgeben zu können. Dies ist immerhin nicht völlig unmöglich – jedenfalls für lange Zeit durchführbar, wenn ein System sehr gut vom Rest der Welt getrennt wird, so dass es kaum Energie dorthin verlieren kann, und wenn die gespeicherte mechanische Energie nicht auf "innere Freiheitsgrade" übertragen, also in Wärme umgewandelt werden kann. Beispielsweise würde ein Kreisel im Vakuum, weitab von allen potenziell störenden Gegenständen, im Prinzip ewig rotieren können, wenn er einmal angestoßen wurde: Er könnte Energie nicht nach außen abgeben, und die Umwandlung seiner Rotationsenergie in Wärme wäre unmöglich schon wegen der Erhaltung des Drehimpulses.

Ein Perpetuum Mobile dieser Art ist also im Prinzip möglich, zumindest annähernd; jedoch ist so etwas nicht nützlich im Sinne der Energieversorgung.

Geschickte Tricks auf der Basis bekannter Physik, oder Suche nach neuer Physik?

Eine weitere Unterscheidung kann danach erfolgen, ob die erdachte Funktionsweise eines Perpetuum Mobile auf gut bekannten physikalischen Gesetzen basieren soll (etwa auf den bekannten Gesetzen der Mechanik oder der Thermodynamik), oder ob "neue Physik" postuliert wird.

Historisch gab es viele Ansätze, die bekannte physikalische Abläufe auf eine geschickte Weise nutzen wollten, um Energie zu gewinnen. Da man seit einiger Zeit jedoch mit Sicherheit mathematisch beweisen kann, dass z. B. aus den Grundgesetzen der Mechanik und der Thermodynamik die Energieerhaltung und weitere Einschränkungen für alle physikalisch möglichen Prozesse folgen, sind solche Ansätze mit Sicherheit zum Scheitern verurteilt. Entsprechende Versuche deuten auf Unkenntnis heute gut bekannter Zusammenhänge hin.

Dagegen wäre es im Prinzip durchaus möglich, dass es z. B. heute noch unbekannte Kräfte oder Wechselwirkungen gibt, für die Einschränkungen wie die Energieerhaltung nicht gelten. Da grundlegende Dinge insbesondere im Bereich der Kosmologie wie auch der Teilchenphysik bislang unverstanden sind, ist es immerhin denkbar, dass zukünftige physikalische Theorien den Geltungsbereich des Gesetzes der Energieerhaltung einschränken werden. Es gab bereits Beobachtungen, etwa im Zusammenhang mit Phänomenen der Radioaktivität, bei denen Erklärungsmöglichkeiten erwogen würden, die die Energieerhaltung für bestimmte Prozesse ausgeschlossen hätten. Solche Ansätze konnten sich aber noch nie durchsetzen und stoßen in der Wissenschaft allgemein auf große Skepsis – auch weil sehr allgemeine theoretische Überlegungen die allgemeine Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes sehr nahe legen.

Ebenfalls zumindest denkbar wären Prozesse, bei denen einer Maschine auf nicht erkennbare Weise Energie zugeführt würde, etwa in Form einer unbekannten und unsichtbaren Form von Strahlung oder durch unbekannte mikroskopische Prozesse, die eine unbekannte Energiequelle anzapfen können. Diese Variante wäre eigentlich nur scheinbar ein Perpetuum Mobile: eine Maschine mit übersehener Energiezufuhr, die also nur scheinbar den Energieerhaltungssatz verletzt. (Ein Kernreaktor wäre eine solche Maschine für denjenigen, der von den nuklearen Prozessen darin nichts weiß und zudem den falschen Eindruck hat, der Reaktor könnte unbegrenzt lange Wärme liefern.) Solche Maschinen wären klar zu unterscheiden von einer Maschine mit tatsächlicher Verletzung der Energieerhaltung (oder alternativ einer Abnahme der gesamten Entropie) auf der Basis neuer Physik.

Es dürfte grundsätzlich ziemlich schwierig sein, Kräfte gezielt auszunutzen, die man nicht kennt; man müsste sich also bei dieser Suche ein Stück weit von spekulativen Theorien leiten lassen. Solche gibt es insbesondere im esoterischen Bereich, wo oft in extrem vager Weise von Konvertern für "freie Energie", "Vakuum-Energie" u. ä. die Rede ist (was übrigens auf die Suche nach einem scheinbaren Perpetuum Mobile hindeutet, mit geltender Energieerhaltung für einen ggf. erweiterten Energiebegriff). Zu kritisieren ist durchaus nicht die Suche nach "neuer Physik" etwa in Form neuer Kräfte; dies gehört auch zur Wissenschaft. Jedoch ist es wenig sachdienlich, mit den typischen Methoden der Pseudowissenschaft Verwirrung zu stiften – etwa durch Vermischung verschiedener Bedeutungen von Begriffen wie "freie Energie" oder durch Behaupten von Beobachtungen, die nie überzeugend demonstriert werden können. Wissenschaftlich überzeugende Evidenz, dass ein Perpetuum Mobile erster oder zweiter Art möglich sein könnte, ist bislang jedenfalls trotz vieler Bemühungen über Jahrhunderte hinweg nicht bekannt geworden.

Siehe auch: Energieerhaltung, Energie, Exergie, Entropie, Thermodynamik, Hauptsätze der Thermodynamik