Die Dampfmaschine ist eine der bahnbrechendsten Erfindungen der Menschheitsgeschichte. Sie markierte den Beginn der industriellen Revolution und veränderte die Weltwirtschaft, Technologie und Gesellschaft nachhaltig. Von ihren bescheidenen Anfängen in der Antike bis zu ihrer Blütezeit im 19. Jahrhundert und ihrem allmählichen Niedergang im 20. Jahrhundert hat die Dampfmaschine einen tiefgreifenden Einfluss auf unser Leben gehabt.
Die Anfänge: Heron von Alexandria und die Aeolipile
Die Idee, Wärmeenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln, ist nicht neu. Bereits im ersten Jahrhundert unserer Zeitrechnung beschrieb der griechische Ingenieur und Mathematiker Heron von Alexandria in seinem Traktat „Pneumatika“ Apparate, die dies ermöglichten. Eines dieser Geräte war die sogenannte Aeolipile, auch bekannt als Heronsball. Diese bestand aus einem dichten Wasserkessel, der mit einer offenen Flamme beheizt wurde. Darüber befand sich eine drehbar gelagerte Hohlkugel mit zwei diametral ausgerichteten Austrittsdüsen. Wenn das Wasser im Kessel kochte, strömte der Dampf durch die Halterungen in die Kugel und verließ sie durch die Düsen, wodurch ein Rückstoß entstand, der die Kugel in Drehung versetzte. Die Aeolipile gilt als die erste bekannte und dokumentierte Wärmekraftmaschine der Geschichte. Allerdings blieb sie für viele Jahrhunderte die einzige ihrer Art und fand keine praktische Anwendung. Heron setzte sein Wissen nicht besonders sinnvoll ein. Er baute einen automatischen Türöffner, der mit Dampf betrieben wurde. Die wirkliche Arbeit erledigten aber noch Sklaven, die sehr viel weniger kosteten als eine neue technische Erfindung.
Die Wiederentdeckung der Dampfkraft: Von Papin bis Newcomen
Es dauerte 1.500 Jahre, bis die Kraft des Wasserdampfs wiederentdeckt wurde. Im Jahr 1690 präsentierte der Franzose Denis Papin den ersten Prototyp einer Dampfmaschine, die mittels Kolben und Zylinder funktionierte. 1698 legte der britische Ingenieur Thomas Savery mit einer dampfbetriebenen Vorrichtung nach, die dabei helfen sollte, das Grundwasser in Bergwerken abzupumpen. Der praktische Einsatz war zwar noch nicht allzu rentabel, das Prinzip aber bereits ausgeklügelt.
1712 perfektionierte der Konstrukteur Thomas Newcomen das Verfahren und entwickelte die atmosphärische Dampfmaschine. Sie arbeitete sehr viel effizienter als die Maschine Saverys, verbrauchte jedoch noch viel Energie, weil Kolben und Zylinder bei jedem Arbeitstakt erhitzt und wieder abgekühlt werden mussten. Die Anwendungen der ersten funktionsfähigen Dampfmaschine von Thomas Newcomen fanden sich ab Anfang des 18. Jahrhunderts im Steinkohlebergbau zur Wasserhaltung, wo sie zunächst ältere mechanische Kraftquellen wie z. B. Wasserräder ergänzten und später auch ersetzten.
James Watt und die Revolutionierung der Dampfmaschine
Ein Problem, das James Watt mit seiner 1769 patentierten doppelt wirkenden Dampfmaschine in Luft auflöste. Watt war zwar maßgeblich an der Optimierung der Technologie beteiligt, doch die Dampfmaschine war das Ergebnis vieler Erfinder und technischer Weiterentwicklungen. Seit 1759 war auch der Schotte James Watt mit der Technik der Dampfmaschine beschäftigt. Er verbesserte den Wirkungsgrad der atmosphärischen Dampfmaschine von Newcomen erheblich, indem er einen Kondensator an die Dampfmaschine anband. Diese Konstruktion meldete er vor genau 250 Jahren im Jahr 1769 zum Patent an. Gemeinsam mit einem Partner setzte er ab 1774 seine Erfindung in einer Fabrik in Soho in die Realität um. Watt erkannte sofort Verbesserungspotenzial. Außerdem ummantelte er den Zylinder mit einem „Dampfmantel“, um den Wärmeverlust zu verringern.
Lesen Sie auch: Umgang mit Schluckstörungen bei Demenz
„Doppelt wirkend“ ist sie, weil der Zylinder abwechselnd und beidseitig mit Dampf befüllt wird. Dadurch erreichte die Maschine einen Wirkungsgrad von fast drei Prozent. Das klingt erst einmal wenig, ist allerdings rund sechsmal mehr, als die Dampfmaschine von Thomas Newcomen zu leisten imstande ist. Und weil eine neue Technologie eine Maßeinheit braucht, unter der sich jeder etwas vorstellen kann, setzt James Watt die Leistung eines Pferdes in ein mathematisches Verhältnis zur geleisteten Arbeit und entwickelt so die Pferdestärke - kurz PS. Um zu demonstrieren, wie viel Arbeit seine Dampfmaschine verrichtete, erfand Watt die Leistung „Pferdestärke“. Mit seinem kaufmännischen Teilhaber Matthew Boulton verkaufte er seine Maschinen jedoch nicht, sondern stellte sie seinen Kunden zur Verfügung, um sich einen Teil der eingesparten Brennstoffkosten auszahlen zu lassen. Damit war eine frühe Form des Contractings geboren.
Die von Watt erfundene einfachwirkende Dampfmaschine funktioniert wie folgt: Über ein Ventil gelangt der Wasserdampf aus dem Dampfkessel in den Zylinder. Das drückt den Kolben im Zylinder nach unten. Das erste Ventil schließt sich, das Ausgleichsventil öffnet sich, sodass sich über und unter dem Kolben der Druck ausgleicht. Damit zieht das Gewicht nach unten und bewegt den Kolben nach oben. Dann öffnet sich das Ventil zum Kondensator, in den Wasserdampf gedrückt wird. Durch den entstandenen Unterdruck im Kondensator wird der Kolben wieder nach unten gezogen.
Um die bisherige Kolbenbewegung der Dampfmaschine in die gewünschte Rotationsbewegung umzusetzen, erfand der Ingenieur und Mitarbeiter von James Watt, William Murdoch, das Umlaufrädergetriebe oder Planetengetriebe, das an die Stelle des Gewichts montiert wurde. Zudem fand an der doppeltwirkenden Dampfmaschine erstmals ein Fliehkraftregler Einsatz, der die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine regulierte und für eine konstante Drehzahl sorgte.
Mit diesen Verbesserungen wurde die Dampfmaschine wirtschaftlich und setzte sich nicht nur im Bergbau durch, sondern fand ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts auch in weiteren Industrieanwendungen und dem Transportwesen Einsatz. Die Dampfmaschine ermöglichte es, Fabriken unabhängig von natürlichen Energiequellen wie Wind- oder Wassermühlen zu bauen - immer mehr Fabriken wurden in Städten errichtet, die Urbanisierung nahm ihren Lauf. In der Industrie fand sie vor allem im Textilgewerbe und im Maschinenbau Einsatz. Aus vorindustriellen und handgetriebenen Drehbänken wurden Werkzeugmaschinen, die mit Dampfkraft betrieben wurden, was einen wesentlichen Beitrag zur ersten industriellen Revolution leistete. Gleichzeitig fand ein Dequalifizierungsprozess statt, da die Arbeiter nicht mehr das Werkzeug selbst führen mussten, das übernahm jetzt die Maschine, und hochspezialisierte Fachkräfte wurden überflüssig. Auch das Transportwesen wurde von den Dampfmaschinen geprägt: Dampflokomotiven und Dampfschiffe ermöglichten es, Güter in kürzerer Zeit und mit weniger Kosten zu transportieren.
Die Dampfmaschine im Zeitalter der Industrialisierung
Die Entwicklung der Dampfmaschine brachte Forscher und Ingenieure auf immer neue Ideen zur Anwendung des revolutionären Apparates. Sie hält Einzug in Webereien und Spinnereien, setzt die Produktion von Kohle, Eisen und Stahl unter industriellen Volldampf und schafft schließlich zu Wasser und zu Lande neue Möglichkeiten, um Menschen oder Waren von A nach B zu befördern: 1807 läutet Robert Fulton auf dem Hudson River die Ära der Dampfschifffahrt ein, 1825 wird in England die erste öffentliche Eisenbahnlinie eröffnet. Auch in den deutschen Kleinstaaten nimmt die Industrialisierung rasant an Fahrt auf: Während im Jahr 1849 im Rheinland und in Westfalen gerade 651 Dampfmaschinen mit einer Leistung von insgesamt 18.775 PS betrieben werden, steigt die Zahl in den nächsten 25 Jahren bereits auf 11.706, deren Leistung bei 379.091 PS liegt.
Lesen Sie auch: Sterben aus neurologischer Sicht: Eine detaillierte Untersuchung
Die Dampfmaschine war die erste Entwicklung des modernen Industriezeitalters, die keine mittelalterlichen Vorbilder hatte. Die Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert revolutionierte zahlreiche Branchen und leitete die von England ausgehende industrielle Revolution ein. Diese technische Innovation schuf zahlreiche neue Industriezweige und trieb bestehende voran. In Deutschland begann das Zeitalter der Dampfmaschinen Mitte des 19. Jahrhunderts und breitete sich vor allem in den Industriegebieten des Rheinlands und Westfalens rasch aus. Von etwa 651 Dampfmaschinen im Jahr 1849 stieg die Zahl innerhalb von 25 Jahren auf beeindruckende 11.706. Diese Entwicklung schuf zahlreiche Arbeitsplätze, vor allem in der Eisen- und Stahlindustrie sowie im rasch wachsenden Eisenbahnbau.
Sicherheitsprobleme und die Gründung der DÜV
Doch die explosive Verbreitung der neuen Technologie birgt zugleich eine enorme Sprengkraft - und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Am 27. Januar 1855 kommt es in Hannover zur Katastrophe. In der Will’merschen Wagenfabrik explodiert ein Dampfkessel, sieben Arbeiter sind sofort tot, viele schwer verletzt. Verheerende Unfälle wie dieser sind keine Seltenheit. In den Jahren 1877 bis 1890 gibt es laut frühen Statistiken allein im deutschen Kaiserreich mehr als 200 Dampfkesselexplosionen mit fast 200 Toten und über 100 Schwerverletzten. Neben mangelhafter Wartung, Konstruktionsfehlern und zu hohem Dampfdruck zählt Überhitzung durch Wassermangel zu den häufigsten Ursachen für die schweren Unglücksfälle. Denn wird die Kesselwand zu heiß, können sich Risse bilden, das Wasser im Kessel verdampft schlagartig, und die plötzliche Druckentlastung führt zu gewaltigen Explosionen. Eine Gefahr, die durch die Festinstallation der Anlagen in den Fabriken zu besonders fatalen Unfällen führt. Um die Kraft der Maschinen auf möglichst viele Arbeitsplätze zu übertragen, benutzt man zu dieser Zeit nämlich Getriebe mit Treibriemen, die nicht zu lang werden dürfen. Dampf- und Wärmeverluste sollen durch kurze Dampfleitungen minimiert werden. Deshalb werden die Dampfkessel und Maschinen dicht an den Arbeitsplätzen installiert - mitten unter den arbeitenden Menschen.
Alarmiert von der zunehmenden Zahl der Dampfkesselexplosionen wollen einige Staaten in Europa gegensteuern. Preußen ordnet ab 1856 behördliche Kontrollen an, was aber eher schlecht als recht funktioniert. Fachleute müssen also her, um die Sicherheit der Dampfkessel zu überprüfen - davon sind Hamburger Dampfkesselbetreiber und Reeder überzeugt. Am 15. Juni 1869 gründen sie deshalb den „Norddeutschen Verein zur Ueberwachung von Dampfkesseln in Hamburg“. Er ist der zweite Dampfkesselüberwachungsverein (DÜV) Deutschlands und wie der 1866 in Mannheim gegründete Verein nimmt er sich ein englisches Modell zum Vorbild, das einige dortige Unternehmen schon 1855 aus der Taufe gehoben hatten: die „Manchester Steam Users Association“, den ersten technischen Überwachungsverein der Welt. Der Hamburger Verein prüft als Selbstverwaltungsorgan der Wirtschaft die Dampfkessel der Mitglieder und schafft es die Zahl der Kesselunfälle auf ein zehnmal niedrigeres Niveau zu senken, als jenes, das Preußens staatliche Kontrolleure erreichen konnten.
Mit der Reichsgewerbeordnung vom 1. April 1900 erhalten die DÜV dann die gesetzliche Befugnis zur Dampfkesselüberwachung. Dadurch sind sie nicht nur für die Sicherheit ihrer Mitglieder zuständig, sondern prüfen auch die Kessel von Nichtmitgliedern. 28 Vereine mit 273 Ingenieuren überwachen im gesamten Deutschen Reich 89.000 Dampfkessel. Zusätzlich entwickeln sie Ideen und machen Vorschläge, um die wirtschaftliche Effizienz der Maschinen zu erhöhen.
Weiterentwicklungen und Varianten der Dampfmaschine
Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Varianten der Dampfmaschine entwickelt, um ihre Effizienz und Leistungsfähigkeit zu steigern. Dazu gehören:
Lesen Sie auch: Alles Wichtige über Parkinson
- Hochdruckdampfmaschinen: Diese Maschinen arbeiten mit Dampfdrücken weit über 100 °C, was zu einer höheren Energiedichte und kompakteren Bauweise führt. Richard Trevithick entwickelte im Jahr 1801 eine Hochdruck-Dampfmaschine, die mit einem fünffachen Atmosphärendruck betrieben wurde. Diese Maschine war leichter, kompakter und kostengünstiger als ihre Vorgänger.
- Expansionsdampfmaschinen: Bei diesen Maschinen wird der Dampf nur zu Beginn des Kolbenhubes in den Zylinder geleitet. Die weitere Bewegung wird durch die Ausdehnung des Dampfes bei fallendem Druck bewirkt, was den Dampfverbrauch reduziert.
- Verbunddampfmaschinen: Diese Maschinen nutzen den bei Austritt des Dampfs verbleibenden Druck, indem der Dampf in einen weiteren Zylinder mit größerem Durchmesser geleitet wird. Dies steigert die Leistungsfähigkeit und ermöglicht höhere Dampfdrücke.
- Gleichstromdampfmaschinen: Bei diesen Maschinen findet beim Ausstoßen des entspannten Dampfes kein Wechsel der Strömungsrichtung statt, was die Abkühlungsverluste reduziert.
Das Ende des Dampfmaschinenzeitalters und das Erbe
Zum Ende des 19. Jahrhunderts begann der Niedergang der Dampfmaschine als dominierende Antriebskraft. In dieser Zeit kamen effizientere Technologien auf, darunter Elektrizität und Verbrennungsmotoren. Elektrische Motoren, die Vorteile wie geringere Lautstärke und größere Flexibilität boten, wurden schnell zu einer beliebten Alternative. Im Jahr 1876 entwickelte Nicolaus August Otto den nach ihm benannten Otto-Motor, und 1893 ließ Rudolf Diesel seine „neue, rationelle Wärmekraftmaschine“ patentieren, die heute als Dieselmotor bekannt ist. Diese Verbrennungsmotoren boten eine effizientere und leichter zu handhabende Alternative zur Dampftechnologie. Sie waren besonders im Fahrzeugbau überlegen, da sie kompakter waren und weniger Wartung benötigten.
Obwohl die Dampfmaschine zu Beginn des 20. Jahrhunderts an Bedeutung verlor, hat sie ein dauerhaftes Erbe hinterlassen. Die von ihr geprägten Entwicklungen und ihre weltweite Verbreitung während der industriellen Revolution hatten langfristige Auswirkungen. Viele der heute verwendeten Technologien, wie Dampfturbinen zur Stromerzeugung, sind direkte Weiterentwicklungen der Dampfmaschine.
tags: #dampfmaschine #mehr #als #25 #gehirn