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Wasserräder

Geschichte

Es wird vermutet, dass vor 5000 Jahren die ersten Menschen die Kraft von fließendem Wasser mithilfe von Rädern genutzt haben, um ihre Felder zu bewässern. In China wurde das Wasserrad vor etwa 2500 Jahren von Zigong, einem Schüler des Philosophen Konfuzius, erfunden. Unabhängig davon wurde im antiken Griechenland in der Epoche des Hellenismus, in welcher auch viele andere Technologischen Fortschritte entstanden, auch das Wasserrad entwickelt. Ab dem 12. Jahrhundert waren Wassermühlen überall in Zentraleuropa und Asien als Ölmühlen, Sägemühlen, usw. vorzufinden. Selbst das größte Wasserrad auf der Welt, dass „Great Laxey Wheel“, welches zur Entwässerung von Bergwerken konstruiert wurde und einen Durchmesser von 22 Metern aufweist, wurde 1854 auf der Isle of Man errichtet.

Am Ende des 19. Jahrhunderts wurden Turbinen und Generatoren erfunden, womit im darauffolgenden Jahrhundert viele Wasserräder zu Dekorations- und Museumsstücken degradiert wurden.

Formen von Wasserrädern

Die grundsätzliche Funktionsweise eines Wasserrads ist schnell erklärt: Das Wasser trifft auf das Rad, welches in Bewegung gesetzt wird. Die Bewegungsenergie des Wassers (=kinetische Energie) kann dann in weiterer Folge in andere Energiearten umgewandelt werden. Es ist jedoch wichtig zwischen Schaufelrädern und Zellenrädern zu entscheiden. Zellen sind an den Seiten geschlossen sind und können dadurch Wassers in sich sammeln. So treibt die Gravitation das Rad an. Schaufeln hingegen sammeln kein Wasser da sie seitlich offen sind. Man kann zwischen verschiedenen Typen von Wasserrädern unterscheiden.

Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Wasserrads

Oberschlächtige Wasserräder

Bei Oberschlächtigen Wasserrädern wird durch eine Rinne Wasser geleitet und fällt am Ende dieser von oben in die Zellen des Wasserrads herab. Durch die potenzielle Energie des Wassers wird jede Zelle nach unten gedrückt. Dadurch wird das Rad angetrieben. Hierbei kann ein Wirkungsgrad von bis zu 85 % erreicht werden.

Mittelschlächtige Wasserräder

Hier trifft das Wasser gegen die Zellen (oder auch Schaufeln) des Rads auf etwa Nabenhöhe. In diesem Fall dreht sich das Rad im Gegensatz zu oberschlächtigen Rädern jedoch rückwärts, deshalb wird es auch als rückschlächtig bezeichnet. Hierbei kann ebenfalls ein Wirkungsgrad von bis zu 85 % erreicht werden.

Unterschlächtige Wasserräder

Wasser fließt durch einen Kropf (ein Weg, welcher für das Wasser konstruiert wurde) direkt unter dem Rad und seinen Schaufeln vorbei, wodurch das Rad angetrieben wird. Ein künstliches Gefälle verleiht dem Wasser mehr Kraft. Wenn das Rad nur durch die Strömung eines ebenen Gewässers angetrieben wird, handelt es sich um ein tiefschlächtiges Wasserrad.

Der Wirkungsgrad kann erhöht werden, indem die Schaufeln des Rades gebogen werden. So kann dieser von ~35 % auf ~55 % angehoben werden.

Heutige Anwendung

In der industrialisierten Welt verlässt sich die Wirtschaft auf fossile Treibstoffe und Elektrizität, Wasserräder wurden weitestgehend abgelöst. In Entwicklungsländern finden sie noch stets Gebrauch, da die benötigte Infrastruktur im Gegensatz zu einem Stromnetz lokal und kostengünstig konstruiert werden kann. 

Aber selbst wenn sich die Landwirtschaft von Wasserrädern verabschiedet hat, bei der Stromerzeugung finden sie noch einen Nutzen. Im direkten Vergleich mit modernen Turbinen (Francis, Kaplan, usw.) können sie leistungstechnisch nicht mithalten, jedoch bei Gefällen von bis zu 10 Metern, stark schwankenden Wassermengen, hohem Sediment- und Treibgutanteil und ästhetisch haben sie gegenüber Turbinen klare Vorteile. 

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