Forschung an Wasserrädern

Das Wasserrad ist eine Jahrtausende alte Erfindung. Kann es da noch Geheimnisse geben? Tatsächlich wurde bis heute nicht untersucht, was genau da eigentlich passiert, wenn sich die Schaufeln durchs Wasser pflügen. Forschende der h_da haben diese Wissenslücke nun geschlossen: Mit Laserlicht, winzigen Glaspartikeln, hochauflösenden Kameras und numerischen Simulationen machen sie sichtbar, wie sich das Wasser durch das Rad bewegt. Das ist hochkomplexe Grundlagenforschung mit praktischem Nutzen: Die Erkenntnisse tragen dazu bei, dass das gute alte Wasserrad effizienter und fischfreundlicher wird.

Von Christina Janssen, 9.11.2026

Eine Professur im Bauingenieurwesen hält offensichtlich fit: Geübt schwingt Professorin Nicole Saenger das Bein über die hohe Umrandung und steigt in den Wasserkanal, der in der Wasserbauhalle der h_da für Experimente genutzt wird. Turnübungen sind hier an der Tagesordnung. In dem 1000 Quadratmeter großen Labor drehen sich Wasserräder in verglasten Flussbetten. Um die Versuchsaufbauten zu montieren und kontrollieren, heißt es: rein in Rinne, notfalls in Gummistiefeln.

Heute liegt das Flussbett trocken. Doch plötzlich rauscht es mächtig, Wasser strömt in den Kanal und das prächtige Zuppinger Wasserrad mit seinen 25 glänzenden Metallschaufeln setzt sich in Bewegung. Der Kollege Bahram Schikhorschihidi hat gerade den Schalter umlegt, um die Rinne zu fluten. Ein Spektakel, an dem sich Prof. Dr. Nicole Saenger, Vizepräsidentin auch nach Jahren noch erfreut: „Wer das Wasser einmal lieben gelernt hat, kann normalerweise nicht mehr davon lassen.“ Deshalb dreht sich in der Forschung der Professorin alles ums Wasser – um Wehre, Wasserräder, Fischaufstiegsanlagen und die Renaturierung von Fließgewässern.

Das Kernproblem dieses Forschungsfeldes: Ein Wasserrad soll Energie liefern, ist aber zugleich ein Eingriff in den natürlichen Flusslauf. Laut EU-Recht dürfen Wasserkraftanlagen deshalb nur noch gebaut werden, wenn die Durchgängigkeit des Flusses gewährleistet bleibt. „Strom ab und Strom auf sollen die Fische ungehindert schwimmen können“, bringt es Saenger auf den Punkt. Das ist bei älteren Wasserkraftanlagen schwierig, denn oft gehen die Räder und Wehre über die ganze Flussbreite und lassen für eine „Fischtreppe“ kaum Platz. Doktorand Julius Maier, der die h_da inzwischen verlassen hat, halbierte die Wasserräder deshalb in seinen Experimenten und kam zu überraschenden Ergebnissen. Die Vermutung „halbes Rad, halbe Leistung“ erwies sich als falsch. „Das halbierte Wasserrad kommt auf bis zu 80 Prozent der Leistung eines Vollrades“, berichtet Ingenieurin Saenger. Und lässt gleichzeitig Raum für Forelle und Co.  

Die Wasserkraft trägt in Deutschland insgesamt – große Turbinenanlagen eingeschlossen – drei bis vier Prozent zur Stromerzeugung bei. Davon entfallen auf die „Kleinwasserkraft“ etwa zehn Prozent. Dabei hat das klappernde Mühlrad am rauschenden Bach große Vorteile: Es „klappert“ Tag und Nacht, liefert also rund um die Uhr emissionsfreien Strom und kommt, anders als Turbinen, mit sehr geringen Fallhöhen zurecht. „Wasserräder können schon bei einem halben Meter Gefälle laufen“, sagt Saenger. „Für Mittelgebirgsregionen wie Odenwald, Spessart oder Taunus kann das interessant sein.“ In Deutschland habe es früher 60.000 Mühlen gegeben. Würde man sie reaktivieren, könnten sie einen relevanten Beitrag leisten. Und auch in anderen Weltgegenden sieht Saenger Einsatzmöglichkeiten, etwa in abgelegenen, infrastrukturarmen Regionen, die eine kontinuierliche lokale Stromversorgung benötigen.

Auch was die Klimaresilienz angeht, schneidet das Wasserrad – solange überhaupt noch Wasser fließt – gut ab. Es ist tolerant gegenüber starken Schwankungen. „Von sehr wenig bis sehr viel Durchfluss bleiben Wasserräder funktionstüchtig“, erläutert Saenger, „sogar bei Hochwasserereignissen.“ Allerdings macht der Klimawandel, wie der Sommer 2026 vor Augen führte, das Leben der Wasserbau-Experten komplizierter. Wenn Flüsse trockenfallen, hilft auch das beste Wasserrad nicht, und Fischaufstiegsanlagen werden funktionsunfähig. „Wir müssen flexibler werden“, betont Saenger.

Und am Ende vielleicht noch effizienter, um mit noch weniger Wasser auszukommen? Das Stichwort für Doktorand Kevin Rieger. In seiner Dissertation betrat er wissenschaftliches Neuland. Rieger wollte wissen: Was genau passiert mit dem wirbelnden Wasser zwischen den Schaufeln eines Wasserrades? Wie viel Energie geht dabei verloren, wie kann man weiter optimieren? „Die Zuppinger Wasserräder sind zwar hinlänglich bekannt“, erklärt der Nachwuchsforscher. „Trotzdem hat das so präzise nie jemand untersucht.“ Rieger konnte diese Wissenslücke schließen.

Was man in den verglasten Versuchsanlagen in der Wasserbauhalle mit bloßem Auge sieht, goss Rieger in mathematische Formeln: Im Wasserrad entstehen faszinierende Gebilde – Wasserwalzen und Wirbel, ein wilder Walzertanz zwischen den Schaufeln. Doch wie schnell, in welche Richtung bewegt sich das Wasser an exakt welcher Stelle? Anhand eines aufwändigen Messverfahrens, der Particle Image Velocimetry (PIV), fand Rieger es heraus. Dem Wasser werden dabei mikrometerkleine Glaspartikel zugesetzt. Sie besitzen nahezu die gleiche Dichte wie Wasser und strömen deshalb einfach mit.

Rieger montierte einen Laser, um hauchdünne Ebenen des Wasserstroms zwischen den Radschaufeln zu beleuchten. Mit einer hochauflösenden Kamera fotografierte er die strömenden Glaspartikel dann von der Seite – immer zweimal in extrem kurzen Zeitabständen. Wie ein Sternenhimmel sehen die Aufnahmen aus. Die weißen Punkte: einzelne, mit bloßem Auge kaum sichtbare Glasperlen. „Wenn wir wissen, wie groß ein abfotografierter Pixel in der Wirklichkeit ist, haben wir die Strecke, wir sehen die Richtung und wir haben den zeitlichen Versatz. Darüber kommen wir auf die Fließgeschwindigkeiten im Wasser“, erklärt der Forscher.

So weit, so einfach…? Ganz und gar nicht. Für seine Messungen untersuchte Rieger zwei Betriebspunkte, indem er den Messbereich zwischen den Schaufeln in 55 Messfelder einteilte. Von jedem Feld machte er 100 Bildpaare zu drei verschiedenen Schaufelstellungen. So entstanden insgesamt 60.000 Fotos, die es auszuwerten galt, um ein präzises Bild der scheinbar chaotisch sprudelnden und strudelnden Strömung zu gewinnen. Was die Sache nicht einfacher machte: Schon kleinste Veränderungen am System verändern das Strömungsverhalten. Rieger variierte unter anderem den Durchfluss, die Drehzahl des Wasserrads und die Fließtiefe hinter dem Rad. Das Verfahren verlangt enormen technischen Aufwand und viel Erfahrung. „In den sechs Strömungsbildern, die ich gemacht habe, stecken eineinhalb bis zwei Jahre Arbeit“, so Rieger. Zum Thema Durchhaltevermögen ist damit alles gesagt. Und auch die Ergebnisse ragen heraus, denn die Kombination von PIV-Messung und Wasserrad gibt es derzeit so nirgendwo, wie Professorin Saenger erklärt: „Das hat sich noch nie jemand in dieser Tiefe angesehen.“

Doch damit nicht genug. Nach dem Messen kam die Mathematik: Rieger bildete die Strömungsdaten in einem mathematischen Modell ab, um dann numerisch zu simulieren, was zwischen den Schaufeln passiert. Anschließend legte er Simulationen und reale Daten übereinander. Das Ergebnis überraschte ihn selbst: Die simulierten und die „echten“ Strömungsbilder stimmen bis in feinste Strukturen überein. „Ich bin sehr froh, dass das so gut übereinander passt“, sagt Rieger. Denn sein numerisches Modell kann jetzt wie ein digitaler Zwilling zum Experimentieren genutzt werden. „Man kann an diesem virtuellen Wasserrad jetzt verschiedene Varianten durchspielen, ohne große Versuchsaufbauten zu brauchen.“

Nach diesem Prinzip funktioniert auch ein gemeinsames Projekt, in dem Saenger und Rieger derzeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der Dualen Hochschule Sachsen in Glauchau kooperieren: Untersucht werden unterschiedliche Formen, Oberflächen und Materialien für Wasserradschaufeln. Zahlreiche Varianten wurden zunächst computergestützt simuliert. Sogar Oberflächen nach dem Vorbild von Haifischhaut wurden erprobt. Die Daten dienten dann dem Fraunhofer-Institut dazu, eine KI zu trainieren, die weitere Optimierungen lieferte. Das Ergebnis: eine gebogene Schaufelvariante, die nun als physisches Modell in der Wasserbauhalle der h_da im Einsatz ist.

Mit rund 1.000 Quadratmetern ist die Wasserbauhalle der h_da das größte Labor dieser Art an einer Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) in Deutschland und hält auch dem Vergleich mit großen universitären Einrichtungen stand. Nur schwimmen darf man darin nicht, auch wenn Studierende immer wieder danach fragen. Die Antwort der Vizepräsidentin ist eindeutig: „Badespaß gibt es nicht.“ Das ist allerdings nicht der Grund, warum Kevin Rieger die Wasserbauhalle bald verlässt. Er hat sich in seiner bayerischen Heimat erfolgreich für eine Beamtenlaufbahn im höheren Dienst bei den Wasserwirtschaftsämtern beworben.

Sein fachlich breit aufgestelltes Studium an der h_da sei für das kompetitive Auswahlverfahren die perfekte Vorbereitung gewesen, meint er: „Es war entscheidend, viele Bereiche im Wasserbau und der Siedlungswasserwirtschaft schon gesehen zu haben.“ Gerade das Masterstudium sei im Bau- und Umweltingenieurwesen ein Projektstudium, ergänzt Vizepräsidentin Saenger. „Das ist ein forschendes Lehren und lehrendes Forschen.“ Anders gesagt: Wer versteht, wie das Wasser zwischen den Schaufeln tanzt, kann Wasserräder neu denken – zum Nutzen von Mensch und Fisch.