Kolbenpumpe

Eine Kolbenpumpe bewegt Wasser mit einem Kolben, der in einem Zylinder auf und ab gleitet, zwischen zwei Ventilen, die das Wasser nur in eine Richtung durchlassen. Die Druckpumpe wird Ktesibios von Alexandria im 3. Jahrhundert v. Chr. zugeschrieben; die Saugpumpe, die das Wasser von unten heraufholt, verbreitete sich im spätmittelalterlichen Europa und stand später auf Dorfbrunnen in aller Welt.

Was es ist

Eine Kolbenpumpe bewegt Wasser mit einem Kolben, der in einem Rohr auf und ab gleitet, zwischen zwei Ventilen, die sich nur in eine Richtung öffnen. Seit über zweitausend Jahren entwässern solche Pumpen Bergwerke, speisen Brunnen, löschen Brände und holen Wasser aus Schächten.

Die Saugpumpe, auch Hubpumpe genannt, steht über dem Wasser und zieht es durch ein Rohr herauf. Die Druckpumpe sitzt im Wasser oder unterhalb ihres Auslasses und presst das Wasser unter Druck hinaus. Die Tafel zeigt eine Saugpumpe des 19. Jahrhunderts auf einem abgedeckten Dorfbrunnen.

Wie es funktioniert

Beim Hub hält das Wasser darüber die Klappe geschlossen; beim Abwärtsgang hebt sie sich und das Wasser strömt hindurch.

Am Boden des Zylinders sitzt das Fußventil, eine Klappe aus Leder oder Gummi, die sich hebt, um Wasser einzulassen, und dann auf ihren Sitz zurückfällt. Der Kolben trägt eine zweite Klappe über Bohrungen, die ihn durchlaufen, und eine Ledermanschette am Rand. Sie öffnet sich nach oben, sodass das Wasser darüber sie gegen die Wand drückt.

Zieht der Schwengel den Kolben hoch, bleibt dessen Ventil zu, und das Wasser auf dem Kolben steigt zum Auslauf. Unter dem Kolben sinkt der Druck, und die Luft, die auf den Wasserspiegel im Brunnen drückt, schiebt Wasser durch das Saugrohr und das Fußventil nach. Beim Abwärtsgang schließt das Fußventil, das Kolbenventil öffnet sich, und der Kolben gleitet durch das Wasser nach unten.

Auf der Saugseite arbeitet die Atmosphäre, und ihr Druck hat eine Grenze. Auf Meereshöhe hält das Gewicht der Luft einer Wassersäule von etwa 10,3 Metern das Gleichgewicht, oder 76 Zentimetern Quecksilber. Undichtigkeiten, Reibung und Wasser, das bei niedrigem Druck zu sieden beginnt, begrenzen eine Handsaugpumpe auf etwa 7 Meter, im Gebirge auf weniger.

Eine Druckpumpe treibt das Wasser durch ein Druckventil hinaus, so hoch, wie Kraft und Rohre es erlauben. Tiefbrunnen-Handpumpen setzen den Zylinder unter den Wasserspiegel und bewegen den Kolben über ein langes Gestänge, sodass die Saughöhe keine Grenze mehr setzt. Zwei abwechselnd arbeitende Zylinder oder ein doppelt wirkender Kolben, der bei beiden Hüben fördert, glätten den Strom, und ein Windkessel am Auslass, in dem eingeschlossene Luft zusammengepresst wird und sich wieder ausdehnt, macht aus den Stößen einen gleichmäßigen Strahl.

Wie man sie baut

Eine kleine Saugpumpe für einen flachen Brunnen oder eine Regentonne lässt sich aus Kunststoffrohr bauen. Der Wasserspiegel muss weniger als etwa 6 Meter unter dem Zylinder liegen; am besten arbeitet sie bei 3 bis 4 Metern.

Zylinder. 60 bis 80 cm glattes PVC-Rohr von etwa 50 mm Durchmesser senkrecht befestigen, mit einem T-Stück oben als Auslauf. Ein dünneres Rohr führt von seinem unteren Ende ins Wasser. Jede Verbindung unterhalb des Kolbens muss luftdicht sein.

Fußventil. Den Zylinder unten mit einem Stopfen verschließen, in den ein Loch von etwa 2 cm gebohrt ist. Darüber eine Scheibe aus Leder oder Fahrradschlauch legen, an einer Kante als Scharnier festgeschraubt und mit einer Unterlegscheibe beschwert.

Kolben. Einen Pfropfen aus Hartholz oder Kunststoff etwas kleiner als die Bohrung zuschneiden, durchbohren und die Löcher mit einer gleichen Klappe abdecken. Darunter eine Manschette aus dickem Leder oder Gummi klemmen, den Rand nach oben gebogen und die Mitte ausgeschnitten, damit die Löcher frei bleiben. Leder vor dem Einbau wässern. Eine Stange verbindet den Kolben mit einem etwa meterlangen Hebel, der an einem Pfosten gelagert ist.

Anfüllen und warten. Ein Glas sauberes Wasser in den Zylinder gießen, damit Manschette und Ventile abdichten, dann pumpen. Läuft die Pumpe über Nacht leer, zuerst das Fußventil prüfen.

Sicherheit. Einen Brunnen nie offen lassen: mit einer Platte oder einem Deckel verschließen, der einen Erwachsenen trägt, und Kinder fernhalten. Nie in einen Brunnen steigen, die Luft unten kann zu wenig Sauerstoff enthalten. Finger vom Drehpunkt fernhalten. Die Durchführung des Rohrs abdichten, den Boden vom Brunnen weg abfallen lassen, Latrinen und Tiere weit entfernt halten. Nur mit Trinkwasser anfüllen, denn es läuft in den Brunnen. Leder, Fahrradschlauch und gewöhnlicher Kunststoff sind nicht für Trinkwasser gemacht: Die Pumpe für Gieß- oder Brauchwasser nutzen oder ganz aus Teilen bauen, die für Trinkwasser zugelassen sind. Brunnenwasser erst trinken, wenn eine Untersuchung es für unbedenklich erklärt hat; Abkochen tötet Keime, entfernt aber keine Chemikalien.

Geschichte und Entwicklung

Die Pumpe des Ktesibios, wie Vitruv sie beschreibt: zwei Bronzezylinder, die abwechselnd arbeiten und ein einziges Steigrohr speisen.

Die Druckpumpe wird Ktesibios zugeschrieben, einem Ingenieur in Alexandria um 270 v. Chr. Vitruv beschrieb um 25 v. Chr. ihre Bronzezylinder und Ventile. Eine Bestandsaufnahme von Richard Stein aus dem Jahr 2007 zählt dreizehn römische Metallpumpen, meist aus Bronze, und achtzehn aus Eichenholz, die meisten in Brunnen gefunden; die aus Silchester liegt im Museum von Reading.

Um 1206 beschrieb al-Dschazari eine von einem Wasserrad angetriebene Pumpe mit zwei gegenläufigen Kolben und echten Saugrohren. Im späten Mittelalter kamen Saugpumpen in die europäischen Bergwerke. 1556 beschrieb Georgius Agricola Sätze von drei übereinander angeordneten Pumpen mit je etwa sieben Metern Rohr, die das Wasser von Kasten zu Kasten hoben.

1638 berichtete Galilei, keine Saugpumpe könne Wasser höher als achtzehn Florentiner Ellen heben, etwa 10,5 Meter, und meinte, die Säule reiße unter ihrem eigenen Gewicht. Sein Schüler Torricelli fand 1644 die Ursache (manche Darstellungen nennen 1643): In einem Glasrohr steht Quecksilber etwa 76 cm hoch, getragen vom Gewicht der Luft. 1648 trug Pascals Schwager das Rohr auf dessen Bitte auf den Puy de Dôme, wo das Quecksilber etwa 8,5 cm tiefer stand.

Eine Feuerspritze nach Art Newshams: zwei Pumpen, von langen Hebeln bewegt, und ein Windkessel, der den Strahl gleichmäßig hält.

In London ließ Richard Newsham 1721 eine Feuerspritze patentieren, deren zwei Pumpen einen Windkessel speisten und so einen ununterbrochenen Strahl lieferten. Für die Bergwerke hatte Thomas Newcomen schon 1712 bei Dudley seine erste Dampfmaschine gebaut, die deren Pumpen antrieb. In Indien ergab 1974 eine Prüfung durch UNICEF, dass drei Viertel der in den sieben Jahren zuvor gebohrten Brunnen kein Wasser lieferten. Daraufhin entwickelten UNICEF, die Regierung und die Firma Richardson and Cruddas die India Mark II, deren Zylinder im Bohrloch sitzt und die Wasser aus 50 Metern Tiefe fördert. Sie ist millionenfach im Einsatz und wird in mehr als 40 Länder exportiert.