Rekonstruktion eines Wasserrades

Prof. Dr. Friedrich H. Balck, Institut für Physik und Physikalische Technologien, TU-Clausthal

Aufwältigung und Rekonstruktion eines Wasserrades im Rammelsberg

Über mehrere Jahrhunderte bis in den Anfang des 20. Jahrhunderts dienten Wasserräder im Harzer Bergbau für die Erzförderung und als Antrieb f ür die Pumpen. Erst später wurden andere Antriebsmethoden, wie Dampfkraft und Elektroenergie, eingesetzt.

Durch J.C. Röder wurde am Rammelsberg seit 1767 ein Programm geplant und umgesetzt, welches eine rationelle Betriebsgestaltung zum Inhalt hatte. Als Kernstück seines Programms, welches nach jahrzentelanger Arbeit im Jahre 1805 im wesentlichen vollendet war, gilt die ökonomisch sinnvolle Nutzung der Wasserkraft. Wegen des vergleichsweise geringen Gefälles, welches zur Verfügung stand, war die Planung dieses komplexen Systems ausgesprochen schwierig.

Danach floß das Wasser aus dem Herzberger Teich über eine Kaskade von mehreren Rädern, um über den Rathstiefsten Stollen wieder abgeleitet zu werden.

In dem nach J.C. Röder benannten Stollen existieren heute noch das zweite und dritte Rad in dieser Kette, das zum Serenissimorum Schacht gehörende Kehrrad zum Fördern der Erze und das 1. Kunstrad zum Antrieb der Wasserpumpen. Beide Räder sind nahezu vollständig erhalten und für die Besucher des Rammelsberger Bergbaumuseums zugänglich.

Wenn ein Wasserrad zwei gegenläufige Schaufelreihen besitzt, nennt man es Kehrrad. Es kann in der Drehrichtung umgekehrt werden, je nachdem welche Schaufelreihe man mit Wasser beaufschlagt.

Das am Oberen oder Ersten Wasserlauf liegende oberste Wasserrad war ein solches Kehrrad und diente zur Förderung des Erzes im Kanekuhler Schacht. Seine mittlere Leistung betrug mehrere (ca. 4) Kilowatt. Die Begrenzung ergab sich aus dem Zwang, sparsam mit dem Wasser umzugehen, da die Zuflüsse zum Teich durch die natürlichen Niederschädge vorgegeben waren.

Diese Kehrradstube war seit ihrer Außerbetriebstellung um 1910 verschlossen worden. Nur selten verirrten sich Beschäftige des Bergwerks in diesen Grubenraum. Bereits in den 20er Jahren ordnete das Bergamt die sichere Verwahrung dieser Radstube an, da Einsturzgefahr vom Wasserrad ausging. Im Jahre 1945 waren der Radstuhl und das Kehrrad zusammengebrochen.

Von der einstigen gewaltigen Holzkonstruktion war im Jahre 1994 nur noch ein Trümmerhaufen übriggeblieben. Die eine Seitenwand der Radstube drohte einzustürzen. Im dem Wassertrog - dies ist die Mulde, auf deren oberem Rand die waagerechte Radachse gelagert ist - befanden sich Holzreste vom Rad und Gesteinsschutt.

Das zerbrochene Kehrrad liegt im Wassertrog, in der Mitte ein Hauptarm, rechts davon Teile der beiden Schaufelkränze, am rechten Bildrand das Fundament für das Wellenlager Die drei verbundenen Meßbänder mit dem Stab bilden den Meßzeiger des Vermessungssystems TRIGOMAT.

Für die künftige Einbeziehung dieser Radstube in den Besucherrundgang des Museums mußte sie gesichert und der Trog aufgewältigt werden, um Platz für eine Neukonstruktion zu schaffen.

Im wesentlichen waren drei Hauptaufgaben zu lösen:

Sicherung der Decke (Firste) der Radstube

Sicherung der Wand (des Stoßes) zur Korbstube und

Aufwältigung des Wassertroges.

Die ersten beiden Aufgaben wurden schnell gelöst. Die Radstube war damit wieder erschlossen und mögliche Gefahrenpunkte für eine spätere Nutzung beseitigt. Die Aufwältigung des Wassertroges jedoch gestaltete sich als äußerst schwierig und zeitaufwendig.

Nach der Aufwältigung einer ca. 1.5 Meter starken Schieferschicht kamen mit Eisensulfat verkrustete Holzteile zum Vorschein. Die Dokumentation der weiteren Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Denkmalpflege Hannover, dem Institut f ür Angewandte Physik der TU Clausthal und dem Bergbaumuseum vorgenommen. Es bestand das Ziel, die Dokumentation eines Denkmals vor der Zerstörung vorzunehmen, d.h. die räumliche Lage der Fundstücke im Wassertrog rechnergestützt und fototecnisch festzuhalten, um daraus Informationen für eine spätere Rekonstruktion verwenden zu können. Die Dokumentationsarbeiten gestalteten sich im Verlauf der Realisierung als schwierig, da das Holz größtenteils torfartig zerfallen und von verkrustetem brauen Eisensulfat durchsetzt war. Der untere Teil des Troges, dem eigentlichen Schleiftrog, stand bis zu 1.5 Metern im Wasser. Schichtweise arbeiteten sich die Bergleute in die Tiefe. Jede Schicht wurde kartiert und fototechnisch aufgenommen. Für die Kartierung der Funde diente das System TRIGOMAT, das schon seit einigen Jahren in der Montanarchäologie verwendet wird: Ein System von drei elektronisch auslesbaren Meßbändern wird um das zu zeichnende Objekt (am Rand des Wassertroges) befestigt. Die Meßbandanfänge werden mit einer Zeigespitze verknotet. Führt man die Zeigespitze über den zu kartierenden Gegenstand, so kann der angeschlossene Rechner aus der Lage der Befestigungspunkte und den drei aktuell gemessenen Bandlängen die Koordinaten der Zeigespitze errechnen. Während der Arbeit entsteht auf dem Bildschirm ein Abbild der umfahrenen Stücke, das später in beliebigem Maßstand und aus jedem Blickwinkel, da 3D gemessen wird, auf Papier ausgegeben werden kann. Dieses Meßsystem ist für derart schwierige und schmutzige Bedingungen gut geeignet. Die Zeigespitze und die Meßbänder aus Edelstahl haben die rauhe Behandlung im Schlamm und unter Wasser problemlos überstanden. Insgesamt wurde so in sechs Arbeitsschritten der Trog aufgewältigt. Auf dem Grund des Schleiftroges erfolgte dann eine überraschung. Im Schlamm eingebettet lagerte hier der Rest des Rades. Von der großartigen Holzkonstruktion ist ungefähr noch ein Fünftel des Radkranzes komplett erhalten mit Teilstücken von vier Radarmen. Dieser Rest des Rades befindet sich in einem sehr guten Erhaltungszustand. Die Konstruktion des Kehrrades mit zwei gegenläufigen Schaufelreihen und viele konstruktive Details sind klar erkennbar.


Während der Aufwältigung, vollständig erhaltener Teil des Rades (etwa 1/5 vom Umfang ) mit zwei Stümpfen der Hauptarme. Es werden gerade die Bretter freigelegt, die die Rückseite der Radschaufeln bilden. Die Schaufeln sind darunter noch im Schlamm versteckt.	Teil des Rades, hinten links ein Hauptarm, davor die rückwärtigen Bretter der Radschaufeln, lose aufliegend ein Teil des Radkranzes, drei miteinander verbundene Laschen mit den Auskerbungen für die zwei Hölzer (Schaufel und Riegel) der Wassertaschen

Das Holz hat durch den Einfluß des Wassers die Zeit gut überstanden. Von dem Fundamentholz (Grundrahmen) der Tragekonstruktion (Radstuhl) für die Wasserzuführung, die Bremseinrichtung und das Steuersystem sind noch Fragmente an ihren ursprünglichen Stellen zu finden. Von der Achse (üblicherweise Eichenholz 0,6 x 0,6 m Querschnitt) wurde kein Bruchstück gefunden, da das Holz nicht in der schützenden Umgebung des Wassers gelegen hatte. Zwei Original-Doppelkrummzapfen wurden geborgen. Die leicht beweglichen Fundstücke, Hölzer und Metallteile, wurden bei der Bergung eingemessen und gekennzeichnet. Sie lagern zur Zeit auf einer Bühne am Rande des Wassertrogs. Das gesicherte Stück des Radkranzes befindet sich noch an seinem urspr|nglichen Platz. Nach der Schaffung eines untertägigen Zwischenlagers soll es dort fachgerecht eingelagert werden.

Versuch der Rekonstuktion

Aufbau eines Kehrrades

Der grundsätzliche Aufbau eines Kehrrades ist in alten Dokumentationen z.B. Villefosse (Atlas de la richesse minirale, Paris 1819) so gut beschrieben, daß man nach diesen Vorlagen ein neues Rad bauen könnte. Jedoch zeigt das Studium an den noch existierenden Rädern im Harz (Samson,Andreasberg; 19-Lachter-Stollen, Wildemann; Serinissimorum, Rammelsberg) und den Unterlagen und Modellen (z.B. Zeche Dorothea) im Oberharzer Bergbaumuseum in Zellerfeld, daß jedes Rad deutlich die Handschrift seines Erbauers trdgt. Die Stellung der Schaufeln, die Anfasung der Schaufelspitzen, die Verbindung der Hauptarme im Bereich der Achse, der Winkel zwischen Haupt- und Sticharm und die Form der Schwalbenschwdnze zwischen Radarm und Radkranz unterscheiden sich deutlich voneinander. Auch bei der Bauform zeigten sich zwei Typen. Die eine, welche bei C. Calövr ( Historisch - chronologische Nachricht ... des Maschinenwesens 1763) beschrieben ist, wurde bis ca. 1860 verwendet, die andere, nach der das heutige Kanekuhler Kehrrad gefertigt worden ist, wird sächsiche Bauart genannt. Ein originalgetreuer Nachbau (1:1) der Calövrschen Bauart wurde von H.H. Nietzel auf dem Freigelände des Kaiser-Wilhelm-Schachtes in Clausthal errichtet (H.H. Nietzel, Historisches Kunst- und Kehrrad....., 1993). Der Unterschied in der Bauart liegt im Wesentlichen im Bereich der Achse, an der Stelle, wo die Kraft von den Armen auf die Welle übertragen wird. Bei den Rädern nach der Calövrschen Bauart ist der Bereich um die Achse sehr viel schwächer ausgebildet was kürzere Betriebsdauern (etwa 10 Jahre) zur Folge hatte. Die bei den sächsischen Rädern geänderte Konstruktion erlaubte eine längere Gebrauchsdauer und wurde 1861 vom Oberbergamt für Neubauten (Nietzel) zwingend vorgeschrieben. Auf der einzigen alten Zeichnung aus dem Jahre 1821 ist das Kanekuhler Kehrrad zunächst in der Calövrschen Bauart ausgeführt. Der Befund heute zeigt jedoch die sächsische Art. Die Zeichnung veranschaulicht die Konstruktion und die Funktion des Rades mit der Kraftübertragung auf den Seilkorb über vier Treibstangen. Der Seilkorb, auf dem die beiden Förderseile auf- bzw abgewickelt waren, befand sich etwa 9 Meter entfernt etwas oberhalb des Wassertroges. Die Trennung zwischen Rad- und Seilkorbachse brachte jedoch Vor- und Nachteile mit sich: einerseits konnte die Radachse kürzer sein, die Teile waren besser zu wechseln, das Seil kam mit dem Wasser nicht in Berührung. Andererseits sank wegen der zusätzlichen Lager der Wirkungsgrad. Die noch vorhandenen Räder in der Grube Samson und im 19-Lachter-Stollen zeigen die vermutlich bessere Lösung mit einer gemeinsamen Achse för das Rad und das Seil. Später um 1882 wurde bei einer umfangreichen Reparatur, die durch eine Aktennotiz belegt ist, das Rad in sächsischer Bauart erstellt.

	Anordnung der Arme wie bei Calvör beschrieben, 1763
	Anordnung der Arme in der sogenannten sächsische Bauart (nach 1860 im Harz)
	Heute findet man zwei Formen der sächsichen Bauart. Sie unterscheiden sich in den Details um die Welle in der Ausführung der Viertelstücke, die "sächsiche" Bauart im Harz,
	... und die Bauart in Freiberg (Sachsen).

Fakten für die Rekonstruktion des Rades

Radkranz:

Da ein Rad im Bereich des Kranzes einen hochsymmetrischen Aufbau besitzt, kann aus dem erhaltenen Fünftel der gesamte Schaufelbereich rekonstruiert werden. Die Funde (Anzahl der Schaufeln pro Lasche und der Schaufelabstand) belegen, daß das Rad 72 Schaufeln und einen Durchmesser von 7,6 m gehabt hat. Die Schaufeln sind an jeder Seite in einen hölzernen Doppelkranz eingesteckt. Bei zwei Schaufelreihen besitzt ein Kehrrad drei derartige Doppelringe, zwei jeweils außen und einen in der Mitte. Jeder Ring besteht aus einem Satz von 16 Holzbrettern, sogenannten Laschen. Die Trennfugen der Laschen in den beiden Ringen sind um eine halbe Laschenlänge gegeneinander versetzt. Die Laschen wurden in ihrer Form so bearbeitet, daß sie Segmente eines Kreisringes bilden. Beide Ringe wurden jeweils mit Holznägeln verbunden. Die Kraftübertragung von den Schaufeln zur Achse und die Abstützung des Radkranzes übernehmen auf jeder Seite 16 Radarme (Speichen). Diese Arme (Nadelholz ca. 0,2m x 0,2m) sind an dem äußeren Kranz durch Schwalbenschwänze mit den Laschen verbunden und zusätzlich mit diesen mit quer durch das Rad gehenden Eisenstangen verschraubt. Die Wassertaschen bilden ein winkelförmiges Gebilde, das aus zwei Brettern, der Schaufel und dem Riegel, besteht. Den Boden der Wassertaschen bilden Bretter, die von innen an die drei Laschenkränze genagelt wurden. über diese mit hölzernen Einsatzfedern abgedichteten Bretter erhält der mittlere Laschenkranz zwischen den beiden Schaufelreihen seine Stabilität.

Konstruktionsdetails am Radkranz

Bereich um die Achse:

Der Vergleich einserseits zwischen den gefundenen Holzresten mit ihren Bearbeitungsspuren und andererseits den schriftlichen Angaben und noch erhaltenen Rädern im Harz, brachte genügend Informationen, um den Verbund der Arme untereinander und die Umfassung der Achse schlüssig konstruieren zu können. Es ergibt in der Seitenansicht zwei Paare von durchgehenden Hauptarmen, die im rechten Winkel überblattet sind, vier Paare von Sticharmen im Winkel von 450 zu den Hauptarmen und je vier sogenannte Viertelstücke, die parallel zu den Hauptarmen den Bereich um die Achse verstärken und die Sticharme miteinander verbinden. Die Viertelstücke sind mit den Hauptarmen und die Hauptarme untereinander in der überblattung so miteinander verzahnt, daß das die Achse umschließende Viereck besonders stabil wird. (Die überblattung weicht um 5 Grad vom rechten Winkel ab.) Eine derartige Versteifung ist erforderlich, da das Rad auf der Welle mit Keilen zwischen Achse und Viereck einerseits zentriert und andererseits festgesetzt wurde. Ein Wasserrad muß entsprechend stark dimensioniert sein, da die Belastung, die bei einem Störfall (plötzliches Blockieren der Erztonne im Schacht und vollaufen aller Radschaueln mit Wasser) auftreten konnte, um fast eine Größenordnung stärker ist als die im Normalbetrieb auftretenden Kräfte

Bremse:

Auf der Radachse befand sich ein zweites, etwas kleineres, Rad, das mit Hilfe von zwei von außen angreifenden hölzerenen Backen als Bremse gedient hat. Diese Bremse war erforderlich, um den Seilkorb beim Beladen und Entleeren der Erztonne zu halten. Unter den Funden gibt es ein aus drei Segmenten zusammengesetztes, gebogenes Holzteil mit Biegeradius von ca. 2,3 m. Der noch im Wassertrog befindliche Grundbalken, auf dem die beiden Bremsbäume unter der Bremse zusammengehalten wurden, deutet auf einen Bremsraddurchmesser von ca. 4,6 m hin. Das im Jahre 1835 neu eingebaute Bremsrad hatte nach den Akten 16 Fuß Durchmesser und drei Laschen Breite (1Fuß=29.2 cm ) .Der Durchmesser betrug demnach 4.67 Meter, was die Vermutung bestätigt. Kurbelzapfen: Zur Kraftübertragung wurden in die Wellenenden auf beiden Seiten sowohl beim Rad als auch beim Seilkorb, gegossene Doppelkurbelzapfen in einen Schlitz eingesetzt und mit auf die konischen Wellenenden aufgeschlagenden Eisenringen festgehalten. Jeder Doppelkurbelzapfen besaß drei zylindrische Lagerflächen, eine zum Tragen der Welle und zwei für die Treibstangen, und hatte, wie das in Zellerfeld ausgestellte Museumsstück, vermutlich ein Gewicht von ca. 450 kg. Die Kräfte in den Treibstangen konnten bis zu 160kN (entsprechend 16 Tonnen Last) betragen. Achsauflagen: Das eigentliche Achslager, eine Halbschale aus Gußeisen, war in einen hölzernen Lagerklotz eingearbeitet, der wiederum mit einem Schwalbenschwanz in die den Wassertrog umschließenden Holzbalken eingesetzt war. Im Bereich unter der Achse ist der Rand des Wassertroges mit glatt behauenen Sandsteinen ausgemauert.

Bühne mit Steuerung: Zum Antrieb des Rades mit Wasser befand sich über dem Rad eine hölzerne Bühne, von der aus das Wasser - über je einen Schieber gesteuert - über zwei Sch|tze entweder in die eine oder andere Schaufelreihe geleitet werden konnte. Die Bedienung der Schieber, sowie die der Bremse, geschah über ein Hebelgestänge aus großer Entfernung vom Schacht her. Auf diese Weise wurde die Anlage vom Schacht ferngesteuert. Zum Verstellen der Auftreffstelle des Wassers auf die Radschaufeln (Zeichnung) war der Neigungswinkel der Schütze für das Wasser vermutlich wie beim benachbarten Serenissimorum-Kehrrad mit dem Steuergestdnge gekoppelt. Auf diese Weise konnte das Wasser zum Antrieb auf den oberen Teil und zum Bremsen etwas tiefer auf die Schaufeln gegeben werden. Optimale Bremswirkung erlangt man, wenn das Wasser unten eingefüllt und durch die Bewegung des Rades nach oben befördert wird. Dagegen hat das Rad einen guten Wirkungsgrad zum Antreiben, wenn das Wasser möglichst in die höchsten Schaufeln eingef|llt wird.

Beginn der Baumßnahmen

Nach Ausschreibung und Vergabe der Arbeiten für den Nachbau an die Mühlenbaufirma Schumann aus Mulda (Erzgebirge) wurde der erste Bauabschnitt (das Kehrrad) Ende Oktober 95 begonnen. In einer Zeit von etwa 7 Wochen waren die Teile so weit vorgefertigt, daß sie per Lastwagen nach Goslar geschafft werden konnten. Hier erfolgte dann der Zusammenbau in der Radstube mit 5 Arbeitskräften in 8 Tagen. 14 Tonnen Holz wurden vor der "Mauselochöffnung" der Radstube abgeladen und vorsichtig hineinbugsiert. Allein die Welle mit den eisernen Kurbelzapfen wog drei Tonnen.

Das neue Rad während der Bauphase

Auf Wunsch und Anregung des Bezirkskonvervators Prof. Roseneck ist ein Teilelement aus Plexiglas gefertigt, damit die Besucher einen Einblick in eine Wasserradschaufel haben, und sehen, wie sie sich füllt und entleert. Zugleich signalisiert das Plexiglas dem Besucher: Es handelt sich um einen Nachbau. Aus dem gleichen Grunde wurde der Grundrahmen nicht aus Holz sondern aus verzinktem Stahl gebaut. Bereits nach diesem Bauabschnitt zeigt die gewaltige Konstruktion, welchen Aufwand unsere Vorfahren treiben mußten, um die Erztonnen zu förden. Ein Wasserrad war für die Bergleute vor hundertfünfzig Jahren die einzige für die Verhältnisse im Rammelsberg praktikable Möglichkeit eines Antriebs. Heute würde man diese Aufgabe mit einem Elektromotor erledigen, der bequem in den Kofferraum eines PKWs paßt.

In weiteren Bauabschnitten werden demnächst die anderen Teile folgen: Seilkorb mit Welle, Treibstangen, Bremse, Bühne mit Wasserkasten. Danach können die Besucher ein funktionsfähiges Wasserrad im Betrieb erleben und dessen Funktion nachvollziehen.

Verfasser: Dr. Friedrich Balck Institut für Physik und Physikalische Technologien, www.pe.tu-clausthal.de/agbalck ,Technische Universität Clausthal

Thilo Ziegler, Rammelsberger Bergbaumuseum GmbH Goslar, www.rammelsberg.de

( E-Mail : friedrich.balck@tu-clausthal.de, )

Abbildungen

Das zerbrochene Kehrrad liegt im Wassertrog, in der Mitte ein Hauptarm, rechts davon Teile der beiden Schaufelkränze, am rechten Bildrand das Fundament für das Wellenlager Die drei verbundenen Meßbänder mit dem Stab bilden den Meßzeiger des Vermessungssystems TRIGOMAT.
Während der Aufwältigung, vollständig erhaltener Teil des Rades (etwa 1/5 vom Umfang ) mit zwei Stümpfen der Hauptarme. Es werden gerade die Bretter freigelegt, die die Rückseite der Radschaufeln bilden. Die Schaufeln sind darunter noch im Schlamm versteckt.
Teil des Rades, hinten links ein Hauptarm, davor die rückwdrtigen Bretter der Radschaufeln, lose aufliegend ein Teil des Radkranzes, drei miteinander verbundene Laschen mit den Auskerbungen für die zwei Hölzer (Schaufel und Riegel) der Wassertaschen
Gegenüberstellung der Bauarten:

Konstruktionsdetails am Radkranz
Das neue Rad während der Bauphase