Gewinde zur Materialbeförderung: Die archimedische Schraube
Wir alle kennen Gewinde als sichere und einfache Lösung, um zwei Bauteile miteinander zu verbinden. In Form von Schrauben und Muttern haben wir als Handwerker oder Heimwerker damit jeden Tag zu tun. Auch von Bewegungsgewinden haben Sie sicher schon gehört. Aber tatsächlich sind Gewinde noch viel flexibler einsetzbar, als Ihnen vielleicht klar war. Wussten Sie, dass die geometrischen Gebilde auch verwendet werden, um verschiedenste Materialien zu transportieren?
Die Idee ist nicht nur genial, sondern auch sehr alt. Schon vor tausenden Jahren benutzten Menschen derartige Konstruktionen, um Wasser zu transportieren. Und bewährt hat es sich auch, denn selbst in unseren Zeiten mit all ihren modernen Möglichkeiten gibt es noch immer Förderanlagen, die auf diesem alten Prinzip beruhen. Sehen wir uns also einmal an, was hinter den Gewinden zur Materialbeförderung steckt. Dazu beleuchten wir die historischen Ursprünge genauso wie die Frage, wo die Grundidee heute noch zur Anwendung kommt.
Was hat Archimedes mit der Sache zu tun?
Alles begann mit Archimedes – aber das ist ja nicht weiter verwunderlich. Schließlich gilt der griechische Mathematiker und Erfinder aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. generell als Universalgenie und hat die Grundlage gelegt für so manchen Durchbruch im Bereich der Physik und der Mathematik. Ganz sicher wissen wir aber nicht, ob der Wassertransport mittels Gewinde wirklich seine Idee war, oder ob er einfach nur ein bereits bekanntes Prinzip verschriftlichte.
In jedem Fall spielt Archimedes eine entscheidende Rolle in der Überlieferung der Konstruktion und darum trägt die bekannteste Umsetzung auch bis heute seinen Namen: Archimedische Schraube.
Schneckenpumpen, Schrauben und Spiralen – Wie funktioniert Materialbeförderung per Gewinde?
Die Archimedische Schraube ist das Standardbeispiel für eine Förderanlage, die Material mittels Gewinde transportiert und viele der modernen Varianten basieren sehr eng auf diesem Prinzip. Sehen wir uns also zunächst an, wie dieses Grundprinzip schon seit der Antike funktioniert. Mittlerweile gibt es natürlich eine Vielzahl an Weiterentwicklungen und Abwandlungen, vor allem in Form von Pumpen wie der Schraubenpumpe oder Schneckenpumpe.
Die Funktionsweise einer Archimedischen Schraube
Die klassische Archimedische Schraube besteht aus zwei Teilen: einem Trog oder Rohr und einer Gewindestange. Das Gewinde zeichnet sich dabei durch sehr breite Gewindetäler aus, durch die Kammern entstehen, in denen die zu transportierende Flüssigkeit Platz findet. Diese Stange dreht sich nun innerhalb des Rohres. Früher wurde die Rotation durch einfache Mittel erzeugt, etwa durch eine Windmühle oder durch Muskelkraft. Heutzutage kann der Mechanismus von einem Motor angetrieben werden.
Durch die Drehbewegung wird die Flüssigkeit nach oben zum Ausgang des Rohres bewegt, bis sie oben austritt. Historische Schraubenpumpen wurden meist mit einer Neigung von 37° bis 45° betrieben und konnten Förderhöhen von bis zu 6 m überwinden. Und sie waren selbst mit antiken Mitteln effizient zu betreiben, denn zwischen Gewinde und Rohr ist kein wasserdichter Abschluss nötig.
Wasser ist nicht das einzige Material, das auf diese Weise befördert werden kann. Auch jede Art von Pulver oder körnigem Material lässt sich nach demselben Prinzip bewegen.
Wasserschnecken: Das umgekehrte Prinzip der Archimedischen Schraube
Und auch in die Gegenrichtung lässt sich der Mechanismus bis zum heutigen Tage nutzen. Wasserkraftschnecken sorgen in modernen Wasserkraftwerken für die Stromerzeugung. Dabei bewegt nicht das Gewinde das Wasser nach oben, sondern umgekehrt: Wasser fließt nach unten und erzeugt dabei die Rotation, die wiederum einen Generator antreibt.
Die Schneckenpumpe - Selbes Prinzip?
Auf den ersten Blick könnte man meinen, eine Exzenterschneckenpumpe funktioniere genauso wie eine Archimedische Schraube. Auch hier dreht sich eine Gewindestange in einem Rohr, wobei das Gewinde meistens als Rundgewinde realisiert ist. Die Bewegung des Fördermediums geschieht bei diesen Anlagen jedoch durch Verdrängung, basiert also auf einem anderen physikalischen Prinzip.
Welche Vorteile hat so eine Anlage?
Nutzung seit der Antike bis ins 21. Jahrhundert – das ist eine ziemliche Erfolgsgeschichte. Natürlich stellt sich da die Frage, was das Prinzip Archimedische Schraube und darauf beruhende Entwürfe so nützlich macht, dass es noch immer zum Einsatz kommt. Das liegt vor allem daran, dass derartige Förderanlagen gleichzeitig robust und flexibel sind.
Sie können gut damit umgehen, wenn die Fließrate schwankt oder die Viskosität des Materials nicht immer einheitlich ist. Auch in Bereichen, wo Flüssigkeiten transportiert werden müssen, die bisweilen mit Feststoffen durchsetzt sind, kann die Archimedische Schraube ihre Stärken ausspielen.
Hier kommen Gewinde zur Materialbeförderung zum Einsatz
Hatten sie bei der Formulierung "mit Feststoffen durchsetzte Flüssigkeiten" auch schon ein plastisches Bild vor Augen? Genau, Kläranlagen sind ein Paradebeispiel für Einsatzgebiete, in denen sich Förderanlagen nach dem Prinzip der Archimedischen Schraube bewährt haben.
Es gibt aber auch noch appetitlichere Beispiele. So werden Förderanlagen nach diesem Prinzip auch auf Mähdreschern, in Getreideaufzügen oder in Betonmischern eingesetzt. Gerade die Exzenterschneckenpumpe hat auch in der Lebensmittelindustrie zahlreiche Einsatzgebiete, etwa zum Fördern von Zutaten in der Teigwarenherstellung oder als Grundlage verschiedener Transportsysteme in Brauereien oder im Weinbau.
Und vielleicht haben Sie bei der letzten Großveranstaltung mit Buffet ein Gewinde zur Materialbeförderung im Einsatz erlebt. Es ist nämlich genau dieser Mechanismus, der im Schokoladenbrunnen dafür sorgt, dass immer wieder Nachschub von oben nachfließen kann.
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