Dampfmaschine und industrielle Revolution


Dampfmaschine und industrielle Revolution
Dampfmaschine und industrielle Revolution
 
Schon in der griechischen Antike waren Zylinder und Kolben sowie die Eigenschaften des Druckes und der Bewegungskraft des Dampfes bekannt, die Mechaniker zur Zeit Alexanders des Großen zu den damals machbaren Experimenten nutzten. Doch der Kenntnisstand der Metallbearbeitung, der Metalleigenschaften und der Werkzeugkunde ließen eine Nachfrage nach der Nutzung von kontrolliertem hohem Dampfdruck vorerst nicht entstehen.
 
 Wasser in den Gruben der englischen Bergwerke. ..
 
Der immer größere Kohleverbrauch in England erforderte ständig tiefere Schächte. So drangen die Bergleute in Tiefen bis über 40 Meter, in den Gruben von Northumberland sogar bis zu 120 Meter vor. Dabei reichte die Stärke der wassergetriebenen Pumpen nicht mehr aus, weil sich mit der Länge auch das Eigengewicht des Pumpengestänges vergrößerte. Da Wasser mit Wasser gepumpt wurde, also die Wasserhebemaschinen mit Wasserenergie arbeiteten, war die Grubenwasserüberflutung die Folge des Energiewassermangels und der technischen Grenzen des althergebrachten Energiesystems. Das »Absaufen« der Gruben konnte daher nur von der Energieseite her gelöst werden. Die wirtschaftliche Existenz vieler Eigentümer von Kohle-, Blei- und Zinngruben war bedroht; weiterhin gefährdeten Versorgungsengpässe der lebensnotwendigen Kohle die englische Volkswirtschaft. Vor diesem Hintergrund entwickelten englische Ingenieure ein neues System der Energieerzeugung und Kraftübertragung, bei dem Wasser durch Kohle, Feuer und Dampf aus den Gruben gehoben werden konnte.
 
 ... und erste Abhilfe: Die Kolbendampfmaschinen
 
Während Denis Papin und Thomas Savery scheiterten, gelang 1712 dem englischen Eisenhändler und Eisenmeister Thomas Newcomen der Bau der ersten für Grubenzwecke leistungsfähigen Dampfmaschine. Bei Papins Entwicklungen von 1690 entstand durch die Abkühlung von Wasserdampf ein luftverdünnter Raum und damit ein Unterdruck im Zylinder, sodass der atmosphärische Luftdruck den Kolben im Zylinder nach unten schob; dagegen entwickelte Savery 1698 eine Dampfpumpe ohne Kolben, die im Wechsel von direkter expansiver Kraft des sich ausdehnenden Dampfes und indirekter Wirkung durch Erzeugung eines Vakuums erstmals praktische Pumparbeit leistete. Dass der Bau einer Dampfmaschine von den damaligen Möglichkeiten der Material- und Werkzeugtechnik abhängig war, zeigte sich auf tragische Weise, als bei einem Versuch, die Förderleistung einer Savery-Dampfmaschine durch höheren Dampfdruck zu steigern, ihr Kessel explodierte und den Schacht verwüstete.
 
Da Saverys Patentrechte noch nicht ausgelaufen waren, entwickelte Newcomen seine atmosphärische Dampfmaschine nach dem papinschen Prinzip. Durch ihren Einsatz konnten die Bergleute tiefer in die Gruben vordringen. 1779 entwässerte eine Newcomen-Dampfmaschine ein Bergwerk in Derbyshire mit 278 m Grubentiefe. Von 1712 bis 1800 standen etwa 1 500 Newcomen-Maschinen im Einsatz. Sie arbeiteten unabhängig von den Naturbedingungen, konnten überall aufgestellt und ganzjährig nach Bedarf betrieben werden.
 
Allerdings gab es eine neue Abhängigkeit: Kohle- und Transportpreise bestimmten die Kalkulation bei der Anschaffung einer Dampfmaschine mit. Die Entwicklung, Fertigung und Verbreitung der Dampfmaschinen erforderte einen Ersatz des Holzes als bisherigen Werkstoffs, Metall wurde für Feueranlagen, Dampfkessel, Rohrleitungen, Zylinder, Kolben, Ventile und Hähne benötigt. Die Vorteile des Metalls gegenüber dem Holz liegen in der weit größeren Dichte bei gleichem Gewicht und Umfang. Da der durch höhere Leistungsanforderungen der Grubenbesitzer an Dampfmaschinen immer größer werdende Hohlzylinder nicht mehr aus Schmiedeeisen hergestellt werden konnte, wurde er aus Messing gegossen, was den Herstellungspreis verteuerte. Erst das ab 1722 bewährte Verfahren, den Zylinder aus Eisen zu gießen, ermöglichte der Newcomen-Maschine, einen entscheidenden Entwicklungsschritt nach vorn zu machen. Das dünnflüssige Koksgusseisen erlaubte den Guss eiserner Zylinder in einer so dünnen Wandstärke, dass die Dampfmaschine bei der wechselweise aufeinander folgenden Erhitzung und Abkühlung des Zylinders wärmetechnisch und -ökonomisch arbeitsfähig war. Eindrucksvoll bewies sich bei den Bauteilen der Newcomen-Dampfmaschinen die Überlegenheit des Koksgusseisens gegenüber dem Messing in der Formbarkeit, in der Härte sowie in der Hitze- und Feuerbeständigkeit; dadurch wurde eine bessere Betriebstauglichkeit bewirkt. Die Technik der Eisenverhüttung und des Luftfrischens von Gusseisen, um den Kohlenstoffgehalt zu senken und das Eisen zu härten, war jedoch keine Neuheit, prinzipiell war sie bereits in der alten chinesischen Hochkultur bekannt, die abendländische Kultur wurde in dieser Hinsicht erst mit der Erfindung und Verbreitung der Dampfmaschine technologisch führend.
 
 Die Dampfmaschine von James Watt
 
James Watt, der zeitweilig Betreuer der physikalischen Sammlung der Universität Glasgow war, hatte den Auftrag, anlässlich des akademischen Jahres 1763/64 ein Modell einer Newcomen-Dampfmaschine funktionsfähig zu machen, das vorher zu Lehrzwecken eingesetzt worden war.
 
Beobachtungen der Pumpmaschinen im Betriebsalltag führten unter anderem zu der Erkenntnis, dass Wärmeverluste im Zylinder eine größere Leistungsfähigkeit der Maschinen verhinderten. Im Mai 1765 sah Watt die Notwendigkeit eines Zylinders, der immer so heiß wie der einströmende Dampf und gleichzeitig immer so kühl wie die notwendige Kondensationstemperatur gehalten werden konnte. Diese Anforderung ließ sich nur durch den Bau eines zweiten Zylinders realisieren, der als Kondensator mit Wasserkühlung und Luftpumpe wirkte. Damit ermöglichte Watt aus dem zeitlichen Nacheinander von Erhitzung und Abkühlung eines Zylinders mit dem räumlichen Nebeneinander von zwei Zylindern die Gleichzeitigkeit der Vorgänge. Da die Zylinder nun nicht mehr abkühlten, stieg die Effektivität der Maschine um etwa 80 %.
 
Der Weg von der atmosphärischen zur direkt wirkenden Dampfmaschine konnte nun von James Watt beschritten werden: Ein luftdichter Deckel schloss den Zylinder, ein Dichtungsgehäuse bildete den Zugang der Kolbenstange in den Zylinder, es gab dichte Ventile und einen dichten Kolben an einer glatten Zylinderwand, und anstelle der Abdichtung mit Wasser wurde der Kolben mit Öl geschmiert. James Watts entscheidende Weiterentwicklung bestand in der technischen Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbenhubs in eine Rotationsbewegung mittels eines Sonnen- oder eines Planetengetriebes. Die nun zur Verfügung stehende Antriebswelle ermöglichte den Einsatz der Dampfmaschine als zentrale Kraftmaschine in Fabriken, mit der über Transmissionswellen und -riemen Arbeits- und Werkzeugmaschinen angetrieben werden konnten.
 
Die ständige Verbesserung der wattschen Dampfmaschine prägte die Ausbildungsinhalte der Metallarbeiter und der Eisenhüttenleute. Die Optimierung des Werkstoffs Eisen und die Entwicklung verbesserter und neuer Werkzeuge und Werkzeugmaschinen führten mit zum systematischen Ausbau der Ingenieurwissenschaften.
 
Mit Fug und Recht kann die Dampfmaschine als Motor der industriellen Revolution bezeichnet werden.
 
Dr. Hartmut H. Knittel

Universal-Lexikon. 2012.

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