Konstruktionszeichnung einer Dampfmaschine, Stahlstich 19. Jahrhundert

Mit der Erfindung und der Effizienzsteigerung der Dampfmaschine wird weltweit die erste Industrielle Revolution eingeläutet. (Bild: Adobe Stock / Hein Nouwens)

Schon 1652 beginnt die Erfolgsgeschichte der Dampfmaschine. Professor Denis Papin erfand in London eine neue Art von Pumpen, bei der rasch rotierende Flügel das Wasser forttrieben. Aber die Pumpe musste für eine optimale Funktion sehr schnell und gleichmäßig gedreht werden und dazu reichten die damals zur Arbeit verwandten Tier- und Menschenkräfte nicht aus. Es musste also eine neue Maschine her.

Papin arbeitete schließlich an der Entwicklung einer atmosphärischen Dampfmaschine und stellte sie 1693 der Öffentlichkeit vor. Hier übertrug eine Zahnstange, die mit einem Zahnrad verbunden wurde, die Kraft vom Kolben auf die Antriebswelle. Nur sechs Jahre später stellte er erste Überlegungen für eine Hochdruckdampfmaschine an. Zur gleichen Zeit wurde in London das Patent für eine Hochdruckdampfmaschine an Thomas Savery vergeben.

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Aber Savery war nicht der Einzige, der sich mit dem Thema befasste. Auch Thomas Newcomen beschäftigte sich seit Anfang des 18. Jahrhunderts intensiv damit. An den Eisenwarenhändler traten verschiedene Grubenbesitzer heran, die mit zunehmender Tiefe leistungsfähigere Maschinen benötigten, um das Grubenwasser abzupumpen. 1710 entwickelte er eine Einspritzkondensation für seine Dampfpumpe, die ein Vakuum im Kolben erzeugte, bevor er 1711 die Forschungen für eine atmosphärische Dampfmaschine aufnahm. Nur ein Jahr später war einer seiner Maschinen in Wolverhampton im Einsatz. Newcomen verband Kolben und Balancier mit einer Kette, sodass seine Maschine den Wirkungsgrad von Saverys Anlage bei Weitem übertraf.

Praktische Konstrukteure

Zeitgenössisches Portrait von James Watt
James Watt, der Erfinder der Dampfmaschine (Bild: gemeinfrei)

Die Konstrukteure des 18. Jahrhunderts waren keine Wissenschaftler, sondern zum größten Teil praktisch orientiert. Sie nutzten ihre Erfahrungen und verbesserten einfach die bestehenden Maschinen. Daher waren diese Dampfmaschinen noch laut, kompliziert und benötigten Unmengen an Energie. Die Möglichkeit, Dampf wirklich nützlich zu machen, erschloss erst James Watt mit seiner neuen Generation von Dampfmaschinen. Deswegen gilt er als der eigentliche Erfinder.

Warum Watt eine Mechanikerlehre abbricht

Watt wird 1736 in der schottischen Hafenstadt Greenock geboren. Sein Vater ist Schiffsausstatter und Hersteller von nautischen Instrumenten. Das prägt den kränklichen Jungen von Kindesbeinen an. Er zeigt Talent für Mathematik, die Eltern hoffen auf eine akademische Karriere. Daraus wird nichts, denn geschäftlicher Misserfolg lässt die Familie verarmen. Eine Mechanikerlehre in London bricht er vorzeitig ab: Er ist der Meinung, dass er dort nichts mehr lernen kann.

Die Radierung von James Scott zeigt James Watt bei seinen Experimenten zur Verbesserung der Dampfmaschine.
Die Radierung von James Scott zeigt James Watt bei seinen Experimenten zur Verbesserung der Dampfmaschine. (Bild: Creative Commons (CC BY 4.0))

Stelle an der Uni ändert Lauf der Geschichte

Er kehrt zurück nach Schottland, kann aber wegen der abgebrochenen Ausbildung keine eigene Werkstatt eröffnen. Stattdessen bekommt er 1757 eine Stelle als Instrumentenmacher an der Universität von Glasgow - vielleicht der entscheidende Wink des Schicksals im Leben von James Watt. Denn seine kleine Werkstatt entwickelt sich schnell zum Treffpunkt von Professoren und Studenten. Zu den Freunden, die er dort fand, gehörte auch der Ökonom Adam Smith.

1764 soll James Watt dort das Modell einer atmosphärischen Dampfmaschine reparieren, wie sie Thomas Newcomen erdacht hat. Bei ihnen entsteht durch die Abkühlung des Dampfes im Zylinder ein Unterdruck, der einen Kolben bewegt. Doch Newcomens Maschinen brauchen große Mengen an Kohle, sind wenig effizient und vor allem unzuverlässig. Das muss auch Watt feststellen. Er, ein stiller Perfektionist, sieht die vielen Probleme von Newcomens Konstruktion - und macht sich an die Arbeit. Und zwar auf seine ganz typische Art: Um wissenschaftliche Schriften zur Wärmetheorie lesen zu können, lernt Watt sogar Deutsch.

Genialer Konstrukteur, mieser Geschäftsmann

Die Arbeit trägt Früchte: Um das ineffiziente wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden, fügt Watt einen zusätzlichen externen Behälter zur Kondensation des Dampfes hinzu, den Kondensator. Zugleich wird der heiße Dampf in einem "Steam-Jacket" zunächst um den Zylinder herumgeführt, um diesen zu beheizen.

Beseelt von seinen Fortschritten gibt er die Arbeit an der Universität auf, um sich ganz der Arbeit an der Dampfmaschine zu widmen. Doch so genial Watt als Ingenieur ist, so schlecht ist er als Geschäftsmann. Ihm wird der Satz zugesprochen: : „Ich will mich lieber vor eine geladene Kanone stellen, als Rechnungen aufstellen und Geschäfte
machen.“

Obwohl er nebenbei als Feldvermesser arbeitet, häuft er schnell große Schulden an. Das Blatt wendet sich erst 1769, als er in dem Eisenfabrikanten John Roebuck einen Förderer findet, der ihm die Anmeldung des Patents Nr. 913 „A New Invented Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines.“ ermöglichte.

Kanonenrohrtechnik für Dampfzylinder

Nach einer Insolvenz von Roebuck übernimmt zum Glück der Industrielle Matthew Bolton dessen Anteile an Watts Erfindung. Es kommt zur Gründung des Unternehmens  Boulton & Watt.  1776 wird die erste einsatzfähige Dampfmaschine nach dem Design von James Watt in der Fabrik von John Wilkinson installiert. Mit seiner Bohrtechnik für Kanonenrohre optimiert Wilkinson auch die Herstellung von Dampfmaschinenzylindern.

Original Konstruktionszeichnung der Wattschen Niederdruckdampfmaschine
Im Gegensatz zur Newcomen-Dampfmaschine wird nicht nur beim Kondensieren, sondern auch beim Befüllen des Zylinders Arbeit verrichtet. Dies führt zu einer Leistungssteigerung und war Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung der Dampfmaschine zu höheren Dampfdrücken. (Bild: gemeinfrei)

1781 wollte sich Watt eine rotierende Dampfmaschine patentieren lassen, in der er fünf verschiedene Methoden einfügte, um eine hin- und her schwingende Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Er ersetzte das Schubgestänge durch eine Kurbel, welche die Antriebswelle drehen sollte. Allerdings erfuhr sein Kontrahent Washborough von der Kurbelidee und kam Watt beim Patentamt zuvor. So musste der Schotte auf die Alternative eines Planetengetriebes zurückgreifen. Watt wusste von den theoretischen Vorteilen des Zahnrades im Vergleich zur Kurbel, doch war die Umsetzung der idealen Verzahnung schwierig: Das Rad war unzuverlässig und die Verzahnungen ungenau. Erst eine veränderte Zahnform zu Zykloiden brachte den gewünschten Erfolg.

Auch in der Folgezeit hörte Watt nicht auf damit, die Dampfmaschine zu verbessern:

  • 1784 erfindet er das Wattsche Parallelogramm, das er selbst als seine größte Erfindung ansah: Ein Koppelgetriebe zur Umwandlung einer rotatorischen Schwenkbewegung in der Ebene in eine angenähert geradlinige Bewegung. Mit seiner Hilfe konnte der Zylinder seiner Maschine nacheinander von beiden Seiten mit Dampf angeströmt werden.
  • 1788 adaptiert er den schon bei Windmühlen eingesetzten Fliehkraftregler für die Verwendung mit der Dampfmaschine.

Durch seine Erfindungen konnte Watt den Wirkungsgrad der Dampfmaschine verdreifachen ... von 1 auf 3 Prozent.

Während sich Watt im Jahr 1800 aus dem Unternehmen zurückzieht und in seinem Landhaus bei Birmingham an neuen Erfindungen tüftelt, tritt die von ihm optimierte Dampfmaschinen ihren weltweiten Siegeszug an und wird zur Triebfeder der Industriellen Revolution. James Watt stirbt im August 1819.

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