Freie Fahrt für freie Wassermoleküle mit dem Hygromobile, dem kostenlosen Wassertaxi. Bis in die allerletzten Ritzen der Naturfasern schubsen und drängeln sie beim Einsteigen – und ziehen dabei, ungeplant, vereint am gleichen Strang. Kaum reingequetscht, geht sie schon los, die selbsterzeugte Fahrt nach oben. Fast einen Meter steigt es auf, bei einem Meter Eigenlänge! Und oben, vom Ausblick stark entzückt, rennt jedes hin und her, entschlossen, baldigst umzusteigen ins nächste Taxi, das schon wartet: die temperierte Luft! In umgekehrter Einstiegsfolge, so nach und nach, springt jedes Molekül ab, hinein in die Luft, weil das Fernweh plagt. Das Hygromobile, gleichzeitig leichter und auch schwerer, sinkt langsam nach unten, wo schon die nächsten Moleküle warten!
Was ist das Hygromobile?
Das Hygromobile ist eine Wärmekraftmaschine, die bei Umgebungstemperatur läuft. Es verwandelt die Energie der Verdunstung mithilfe der Kapillarkraft in Bewegung.
Nach 40 Jahren Nachdenken entstanden, zeigt es, dass in der Kapillarkraft mehr nutzbare Energie steckt, als die meisten glauben. Wasser saugt sich nicht nur entgegen der Schwerkraft in kleinste Räume, es kann sich mithilfe einer kapillaren Umgebung samt dieser selbst aus dem Wasser ziehen.
Die Modellreihe trägt den Namen „David Hoffmann Perpetuum Mobile“ und ist meinem Sohn David gewidmet.
So funktioniert es
20 Naturfaserschnüre von je 100 cm Länge sind nebeneinander an einem Kohlefaserstab befestigt. Der Stab taucht in ein Wasserbecken, und das Wasser saugt sich in die Hohl- und Zwischenräume der Fasern. Dabei werden die Schnüre dicker, aber auch kürzer.
Die Verdrillung der Schnur wandelt das Aufquellen der Fasern in die Dicke in eine Verkürzung der Länge um – ähnlich wie eine Socke, die dicker und kürzer wird, wenn man ein Stopfei hineinschiebt. Über Hebel und Kraftumlenkung an der Aufhängung ziehen sich die Schnüre samt Kohlefaserstab selbst aus dem Wasser.
Beim Aufsteigen kommt ein zweiter Effekt hinzu: Die Schnüre neigen sich zur Halterung hin, und das überschüssige Wasser läuft an ihnen entlang nach hinten. So werden auch die Abschnitte nass, die gar nicht eingetaucht waren, und verkürzen sich ebenfalls. Je höher der Stab steigt, desto mehr Wasser verteilt sich – die Schnüre helfen sich beim Aufsteigen gewissermaßen selbst.
Oben angekommen, verdunstet das Wasser wieder. Die Schnüre werden länger, und die Schwerkraft zieht den Hebel langsam nach unten. Kurz vor dem Becken setzt er auf der Eintauchverzögerung auf und „platscht“ dann ins Wasser. Das befeuchtet die Schnüre stärker als ein sanftes Aufsetzen, und der Zyklus beginnt von vorn.
Die Kräfte sind erstaunlich: Einige trockene, 1 m lange Schnüre ziehen ein Gewicht von über 500 g fast 2 cm hoch, wenn sie mit nur 20 bis 40 g Wasser befeuchtet werden.
Ist das ein Perpetuum mobile?
Nein – und das ist gerade das Spannende. Ein echtes Perpetuum mobile 2. Art müsste Arbeit aus einer Umgebung gewinnen, die überall gleich warm und im Gleichgewicht ist. Das verbietet der 2. Hauptsatz der Thermodynamik.
Das Hygromobile nutzt dagegen ein echtes Ungleichgewicht: den Unterschied zwischen flüssigem Wasser und Luft, die nicht mit Wasserdampf gesättigt ist. Die Energie zum Verdunsten stammt aus der Umgebungswärme, letztlich aus der Sonne. Physikalisch ist es damit ein offenes thermodynamisches System, ein Verwandter der bekannten „Trinkenden Ente“.
Darum braucht es zwei Dinge: Wasser und Kontakt zur Atmosphäre. In einem geschlossenen Raum steigt die Luftfeuchtigkeit gegen 100 %, die Schnüre trocknen nicht mehr, und die Bewegung stoppt. Im Freien läuft es dagegen praktisch immer, auch nachts und bei Windstille, nur in der Trocknungsphase sehr langsam. Ein Langzeittest lief 80 Tage ohne Unterbrechung.
Videos
Vom ersten Prototyp bis zur Version 10.01 – Echtzeitaufnahmen, Zeitraffer und Blicke auf die Mechanik. Ein Klick startet das Video.
Noch mehr ältere Videos der ersten Modelle gibt es auf meinem YouTube-Kanal.
5-Tage-Langzeittest
Je bis zu 6 Stunden Zeitraffer an fünf aufeinanderfolgenden Tagen, jeweils ab etwa 11 Uhr, ohne das Becken nachzufüllen. Am fünften Tag fehlte fast 1 cm Wasser, nur noch ein kleiner Teil der Schnüre wurde benetzt, und der Aufstieg dauerte am längsten.
Bauanleitung
Für das Modell mit 18 bis 20 Schnüren.
Die richtige Schnur finden
Das Hygromobile funktioniert nur mit einer Schnur, die bei Nässe kürzer wird. Ob und wie stark sie das tut, weiß man vor dem Kauf leider nicht. Kauf deshalb mehrere Schnüre aus Baumwolle oder Flachs und teste sie.
So geht der Test: Schneide etwas mehr als einen Meter Schnur ab und hänge sie an einen Nagel. Befestige unten ein kleines Gewicht und markiere mit einem Stift die Höhe seiner Unterkante.
Besprühe die Schnur dann so oft mit Wasser, bis sie klatschnass ist. Ideal ist eine Verkürzung um etwa 2 cm, sodass das Gewicht 2 cm nach oben gezogen wird. Hast du so eine Schnur gefunden, hast du den Jackpot – bestell gleich einen Vorrat, wer weiß, wann du wieder so eine findest.
Die Schnüre an der Achse befestigen
Die Schlaufen (im aktuellen Modell 9) werden über die Achse gelegt und mit Zwei-Komponenten-Kleber benetzt. Nach 24 Stunden Aushärtung lässt sich die Achse bei Bedarf mit einer Zange lösen, herausschieben, ölen und wieder einschieben. Im Normalfall ist das aber gar nicht nötig. Wichtig: Nur eine Schnur ohne die geringste Krümmung überträgt die Kraft genau.
Das Einkleben vorbereiten
Die Edelstahlhalterung wird mit montierter, drehbarer Achse senkrecht auf einem Brett mit passender Aussparung fixiert:
Danach wird das Brett kippsicher auf einem Hängeschrank o. Ä. befestigt und mit 9 bis 10 Schnurpaaren bespannt. Zwei oder vier Schnüre erzeugen nicht genug Kraft, um den Stab ohne Gegengewicht aus dem Wasser zu heben.
Die Schnüre einkleben
Die Schnüre werden mit Gewichten beschwert und mit Zwei-Komponenten-Kleber an der Achse festgeklebt. Ideal sind Gewichte von etwa 200 g; ich habe dazu Metallkugeln à 100 g verwendet.
Weil sich einzelne Kugeln gegenseitig abbremsen und die Zugkräfte dann ungleich wirken, habe ich auf der späteren Eintauchseite je drei Kugeln (300 g) in eine Papierröhre gerollt. So wirkt beim Kleben auf jede Schnur die gleiche Zugkraft:
Die einzelnen Röhren behindern sich nicht gegenseitig und gleiten aneinander vorbei.
Halte- und Auflageschiene
Die erste Halte- und Auflageschiene war aus Alu, inzwischen ist sie aus Edelstahl und mit vier Kugellagern ausgestattet.
Die Achse der Schnüre in der Halteschiene sollte 1 bis 3 mm über dem Wasserspiegel des randvollen Beckens liegen. So stört der Beckenrand das Eintauchen nicht, und du bestimmst selbst den flachen Eintauchwinkel, der festlegt, wie weit die Schnüre befeuchtet werden.
Auf der linken Seite sollte die Schiene etwa 5 bis 10 mm unter dem Wasserspiegel aufliegen (gelber Pfeil). Dadurch erreicht die Schnur, die ja bei waagrechter Schiene eingeklebt wurde, das Wasser, bevor sie ganz trocken ist.
Je geringer der Abstand der übereinanderliegenden Achslöcher, desto mehr Weg legt der Kohlefaserstab nach dem Befeuchten der Schnüre zurück.
Ein dünner Edelstahldraht und eine darunter geklemmte Strebe verhindern, dass sich der Kohlefaserstab beim Benetzen biegt.
Die Entwicklung
Das erste Hygromobile war eine bewegliche Wippschaukel mit Kipper, Schnurbefeuchter, „Aufrichter“, Nachfüllbehälter und Tauchkammer. Links darunter lag das „Weltmeer“ als ständiger Nachschubbehälter.
Version 1.0 war wie eine Waage aufgebaut: links ein verwindungssteifer Stab mit Naturfaserschnur, rechts ein Gegengewicht, die linke Seite nur wenige Gramm schwerer. Unter dem linken Arm stand das Wasserbecken, knapp unterhalb der Waagrechten.
Ab Version 2.0 kommt es ohne Gegengewicht aus, dank eines hohlen Kohlefaserstabs und 20 statt 4 Schnüren. So kann die Schwerkraft nach dem Trocknen Stab und Schnüre voll zurück ins Becken ziehen. Seit Version 4.0 verhindert ein Spanndraht aus Stahl das Durchbiegen des Stabs, sodass sich die Schnüre sauberer von der Wasseroberfläche lösen. Ab Version 8.0 kommt die Eintauchverzögerung dazu.
Ausblick
Das Hygromobile soll Forscher und Tüftler anregen, mit dem gleichen Prinzip und neuen Materialien leistungsstärkere Modelle zu bauen. Denkbar sind etwa schneller verdunstende Flüssigkeiten oder Räder mit Hunderten von Schnüren zur Radnabe, die zur Hälfte ins Wasser tauchen.
Die Kapillare Unruhe
Die Naturfaserschnüre brauchen je nach Außentemperatur mehr als eine Stunde zum Trocknen. Die Kapillare Unruhe ist mein Ansatz für schnellere Zyklen. Statt auf Verdunstung zu warten, soll die kapillare Geometrie mechanisch verändert werden, etwa durch zyklisch verschobene Glasplatten. Ein Prototyp ist im Versuchsstadium; ob sich so dauerhaft Bewegung erzeugen lässt, sollen die Experimente zeigen. Die Erklärung steht in der Skizze, mehr dazu auf kapillareunruhe.de.
Abstract
Energiegewinnung durch hygroskopische Aktuatoren und kapillare Dynamik
Autor: Anton Wimmer
Diese Arbeit untersucht, wie sich Kapillarkräfte in Kombination mit Umgebungswärme für mechanische Arbeit nutzen lassen. Vorgestellt werden zwei Systeme: das realisierte Hygromobile und das Konzept der Kapillaren Unruhe. Ziel ist der Nachweis, dass die Kräfte bei der Benetzung und Trocknung von Naturfasern deutlich höher sind, als bisher in der technischen Anwendung berücksichtigt.
1. Das Hygromobile: thermodynamisch-kapillarer Zyklus
Das Hygromobile ist eine Wärmekraftmaschine, die bei Umgebungstemperatur arbeitet – physikalisch ein offenes thermodynamisches System.
Phase 1 (Arbeitshub): Beim Eintauchen in ein Wasserreservoir nutzen die Naturfaserschnüre als hygroskopische Aktuatoren die Kapillarkraft. Das Eindringen der Wassermoleküle in die Fibrillenstruktur führt zu einer seitlichen Quellung und damit zu einer Verkürzung der Schnur. Die dabei frei werdenden Zugkräfte übersteigen das Gewicht des aufgenommenen Wassers um ein Vielfaches und heben die Vorrichtung an.
Phase 2 (Regeneration): Nach dem Anheben trocknen die Fasern durch Verdunstung. Die nötige Energie stammt aus der Wärme der Umgebungsluft (Sonne, Raumwärme). Die Fasern verlängern sich, und die Schwerkraft bringt das System in den Ausgangszustand zurück.
Das Hygromobile wandelt so die latente Wärme der Verdunstung mittels Kapillarität in Bewegungs- und Lageenergie um.
2. Die Kapillare Unruhe: mechanische Beeinflussung des Meniskus
Die Kapillare Unruhe soll die Abhängigkeit von der Verdunstungsrate beseitigen. Durch mechanische Veränderung der kapillaren Geometrie, etwa zyklische Abstandsänderung paralleler Platten, sollen kapillarer Aufstieg und Abfall erzwungen werden, ohne auf das Trocknen zu warten. Ob das in einem geschlossenen Zyklus netto Arbeit liefert, ist Gegenstand der laufenden Versuche.
Schlussfolgerung
Die Experimente und Langzeitversuche mit dem Hygromobile 10.0 zeigen, dass Kapillareffekte in makroskopischen Systemen nutzbare Arbeit verrichten können. Die Arbeit ist eine Grundlage für weitere Forschung zum „Energy Harvesting“ aus Luftfeuchtigkeit und Kapillarphänomenen.
Schutzrechte und Kontakt
Das Hygromobile wurde von Anton Wimmer erfunden und beim Deutschen Patent- und Markenamt mehrfach als Gebrauchsmuster eingetragen:
- Gbm 20 2023 001 9163.9
- Gbm 20 2023 001 9438.7
- Gbm 20 2023 001 9645.2
- Gbm 20 2023 002 9245.2
- Gbm 20 2023 002 9267.3
- Gbm 20 2024 000 9945.9
Kommerzieller Nachbau und kommerzielle Verbreitung sind nicht gestattet.
Fragen, Anregungen, Partner- und Verwertungsanfragen bitte per E-Mail an info@nullachtneun.de.
In English
The Hygromobile is a heat engine that runs at ambient temperature, invented by Anton Wimmer, Munich, Germany. The model series is named “David Hoffmann Perpetuum Mobile” and dedicated to my son David.
Twenty natural-fibre strings, each 100 cm long, are attached to a carbon-fibre rod. When they dip into water, the fibres swell and the twisted strings shorten by 15 to 20 mm. Through a lever, the strings pull themselves, rod and all, out of the water. As the rod rises, excess water runs back along the tilted strings and wets the parts that were never submerged, so they shorten too. At the top the water evaporates, the strings lengthen, and gravity lowers the rod back into the basin. In short: the water pulls itself out of the water.
A few dry 1 m strings can lift over 500 g by almost 2 cm when wetted with only 20 to 40 g of water – about 0.1 joules of work per stroke.
It is not a perpetual motion machine. It runs on a real imbalance: liquid water versus air that is not saturated with vapour, with the energy for evaporation coming from ambient heat and ultimately the sun. Physically it is an open thermodynamic system, a relative of the “drinking bird”. In a closed room the humidity rises towards 100 % and it stops; in the open air it keeps moving, day and night. One long-term test ran for 80 days (2,000 hours) without interruption.
The Kapillare Unruhe is a follow-up concept that aims for faster cycles by changing the capillary geometry mechanically, for example with shifting glass plates, instead of waiting for evaporation. A prototype is at the experimental stage.
Registered as utility models (Gebrauchsmuster) at the German Patent and Trade Mark Office. Commercial replication and distribution are not permitted. Contact: info@nullachtneun.de