Forschung: Wasserpumpen ohne elektrischen Strom

Ingenieure ohne Grenzen

Da das Jahreseinkommen in vielen armen Ländern häufig nur bei ca. 500 Euro liegt, können sich elektrische Pumpen zur Wasserförderung nicht geleistet werden. Und selbst wenn so eine Pumpe vorhanden ist, scheitert es am mangelnden Strom; er ist einfach zu teuer. Es gibt zwar sogenannte Insellösungen, doch kosten Solaranlagen und elektrische Pumpen schnell um die 15 000 Euro. Selbst wenn dieses Geld durch Spenden noch aufgetrieben wird, spätestens in 3-4 Jahren müssen die notwendigen Batterien ausgetauscht werden, die ebenfalls mit mehreren tausend Euro zu Buche schlagen.

Die Stuttgarter Ingenieure ohne Grenzen gehen neue Wege

Ingenieure ohne Grenzen haben es sich auf die Fahne geschrieben, für gesundes Wasser zu sorgen und zwar ohne diese immensen Kosten. Daher wird mit Hochdruck an einem Wasserpumpensystem gearbeitet, welches pro Modul nicht mehr als 50 Euro kosten soll. Das Projekt ist ehrgeizig, zumal die Ingenieure bei der Entwicklung auf Spenden angewiesen sind. (Spendenkonto am Ende des Artikels)

Kriterien des neuen Wasserpumpensystems

• Stromlose Nutzung
• 60 Liter Wasser die Stunde in 10 Meter Druckhöhe, Mindestleistung 1,7 Watt, ausreichend für eine Familie
• Das System muss modular aufgebaut werden, damit Wind, Solarkraft, oder menschlichen Arbeitskraft zusammen arbeiten können.
• Vor Ort ansässige Handwerker und Schmieden müssen die Systeme herstellen können, ohne auf eine komplexe industrielle Infrastruktur zurückgreifen zu müssen.
• Die komplette Anlage muss robust, sicher und umweltverträglich sein.

Die anvisierte Lösung besteht aus einer Pressluftpumpe, welche mit Wind-, Sonnen- und menschlicher Kraft arbeiten soll. Der Knackpunkt und ehrgeizige Plan besteht tatsächlich darin, die Wasserpumpe komplett ohne Elektrizität arbeiten zu lassen.

Quelle: Ingenieure ohne Grenzen

Laut Jonas Koch - mitverantwortlicher Ingenieur des Projektes der Regionalgruppe Stuttgart – soll die Sonnenenergie genutzt werden, um eine mechanische Bewegung in Gang zu setzen. Alternativ wird über das Erzeugen von Druckluft nachgedacht. In den Brennpunkt für dieses Vorhaben rückt hier unter anderem der Stirlingmotor. Dieser arbeitet mit einem geschlossenen System, in welchem sich durch Erwärmung Gas ausdehnt und durch Abkühlung sein Volumen wieder verkleinert. Durch die Volumenvergrößerung des Gases muss jedes Material, was sich in der Nähe befindet weichen; ein vorhandener Kolben wird in Bewegung gesetzt. Wenn sich das Gas wieder „zurückzieht“, kann der Kolben wieder in seine Ausgangsposition zurück. Durch kontinuierliches Ausdehnen und Verkleinern des Gasvolumens entsteht eine Bewegung. So kann zum Beispiel eine Wasserpumpe angetrieben werden.

Auch die Pedalpower Module werden mit menschlicher Arbeitskraft arbeiten. Wer schon einmal ein Fahrradschlauch mit einer Luftpumpe aufgepumpt hat, weiß, wie effektiv mit Muskelkraft eine Pumpe arbeiten kann. Allerdings ist dies auch sehr anstrengend, nicht umsonst werden heutzutage für derartige Tätigkeiten Fußluftpumpen eingesetzt Mit diesen lässt sich sogar ein Autoreifen aufpumpen; das wäre mit einer Fahrradluftpumpe ein langwieriges – wenn nicht gar unmögliches - Unterfangen.

Inzwischen gibt es von der Firma KickStart schon modifizierte Tretpumpen, sie werden mit Pedalen betrieben, was nochmals effektiver ist, wie eine einfache Fußpumpe. Die Pedale erinnern ein wenig an einen Stepper, nur dass dieser alleine für die Gesundheit dient und sonst keinen weiteren wertvollen Nutzen hat.

Ingenieure ohne Grenzen möchten bewusst auf den Einsatz von Generatoren verzichten, da diese nicht nur reparatur- sondern auch kostenanfällig sind. Problematisch bei einem Generator ist in vielen ärmeren Ländern schon die Konstruktion; wenn mechanische in elektrische Elektrizität umgewandelt wird, ist Know-how und feingliedrige Technik von Nöten. Um diese reparieren zu können, braucht man spezielles Werkzeug und eine dementsprechende spezielle Ausbildung; beides ist in abgelegenen Gebieten nicht vorhanden. Zwangsläufig würde eine kaputte Wasserpumpe nicht repariert werden und langsam vor sich hin rotten; die ganze Arbeit und Mühe wäre umsonst gewesen.

Um das kostbare Wasser zu befördern, wird dieses nach dem Airlift-Prinzip oder mit einem Hybrid-Kompressor-Airlift transportiert. Dazu soll Pressluft entweder mit einem Exzentersystem oder durch rotationale Ventilatoren hergestellt werden. An diesem System wird noch getüftelt

Kostenreduktion ist großes Thema

Natürlich soll so viel Geld wie möglich in die Entwicklung und die anschließende Fertigung der Wasserpumpen fließen. Da die Hallenmiete sowie Messgeräte und Testgeräte schon ihren Teil kosten, ist der gemeinnützige Verein sehr dankbar, dass die Ingenieure ohne Gehalt arbeiten und ihr Wissen zur Verfügung stellen. Da das Konzept für die Entwicklungsländer hochinteressant ist – es geht vor allem darum, Stromkosten zu reduzieren – ist auch ein Wasserbauingenieur aus Nepal anwesend.

Zeit- und Kostenplanung der Forschungsarbeit

• Eine Airliftpumpe sowie eine Hybrid-Kompressor-Airliftpumpe soll aufgebaut und getestet werden.
• Ein Savonius-Windrotor mit einem rotationellen Ventilator-Kompressor und eine exzenter-basierte Luftpumpe werden aufgebaut. Bei dem Savonius-Rotor handelt es sich um eine Windturbine bestehend aus schaufelförmigen Flügeln, die überlappen. Er funktioniert mit vertikaler Achse unabhängig von der Windrichtung und ist somit sehr effektiv.
• Weitläufige Testphase im Raum Stuttgart, die Geräte sollen im Außenbereich aufgebaut werden.

Nach erfolgreichem Abschluss der ersten Tests wird es in die zweite Phase gehen.

• Windtunneltest um die Qualität zu testen und eine Prüfung der Leistungssteigerung.
• Entwurf und Test eines Solarmoduls, welches die Pressluft erzeugen soll. Erstmalig zeigte der amerikanische Ingenieur Frank Shuman diese Technik wahrscheinlich1907. Seine First practical solar engine wurde mit solar erwärmten Äther angetrieben; eine Sensation.

Den Abschluss bilden unter anderem Tests in den Entwicklungsländen vor Ort

• Aufbau des Pedalkraftmoduls
• Einsatz von Prototypen in Projekten der Ingenieure Ohne Grenzen
• Kontinuierliche Verbesserung und Qualitätszertifizierung des Wasserpumpensystems

Das Projekt wird mit geschätzten Kosten von 12000 Euro zu Buche schlagen, doch wenn das System funktioniert, wird es nicht nur möglich sein, sauberes Wasser zu fördern, auch das Strom sparen ist kein Problem mehr.