James Watt: Wie eine „Feuermaschine“ die Welt veränderte

Vor 250 Jahren wurde das Patent für die Dampfmaschine erteilt. Die Konstruktion des Schotten James Watt läutete die industrielle Revolution ein und trug entscheidend dazu bei, den Weg für die Serien- und Massenproduktion zu ebnen. Anlässlich des 200. Todestages des Erfinders am 25. August werfen wir einen Blick auf die Geschichte der Dampfmaschinen.

Das gleich vorweg: Erfunden hat James Watt die Dampfmaschine, oder Feuermaschine, wie sie damals genannt wurde, nicht. Aber er hat den Wirkungsgrad entscheidend verbessert und erhielt dafür am 5. Januar 1769 das Patent.

Eine erste brauchbare Dampfmaschine hat 1712 der englische Schmiedemeister Thomas Newcomen (1663 - 1729) gebaut, bei der er die Idee einer dampfbetriebenen Maschine des in Deutschland lebenden Franzosen Denis Papin (1647 - 1712) aus dem Jahr 1690 aufgriff. Der Wirkungsgrad lag allerdings bei 0,5%, reichte aber für den Einsatz im Bergbau aus. Auch die 1710 vom Engländer Thomas Savery (1650 - 1715) konstruierte und patentierte Dampfpumpe für das Abpumpen von Grundwasser aus Gruben hatte einen äußerst geringen Wirkungsgrad.

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Newcomens Maschine besteht aus einem Dampfkessel, über dem sich ein Zylinder mit einem beweglichen Kolben befindet. Der Kolben ist mechanisch mit einer Pumpe verbunden. Durch von unten in den Zylinder strömenden Wasserdampf und das Gewicht des Pumpengestänges wird der Kolben nach oben bewegt. Erreicht der Kolben das obere Ende des Zylinders, unterbricht man die Dampfzufuhr und kühlt den Zylinder. Dadurch kondensiert der Wasserdampf und der Zylinder bewegt sich nach unten. Da der Hub des Pumpengestänges durch den Luftdruck erfolgt, wurden die Newcomen-Maschinen als atmosphärische Dampf- oder Feuermaschinen bezeichnet.

Wie James Watt die atmosphärische Dampfmaschine verbesserte

Der junge Schotte James Watt (1736 - 1819) verbesserte die Newcomen-Maschine schließlich so, dass sie als Antriebsmaschine für Pumpen, Textilmaschinen, Mühlen, Pflüge, Lokomotiven genutzt werden konnte: Watt erfand den Kondensator für die effizientere Kondensation des Dampfes, den Fliehkraftregler zur automatischen Regulierung der Dampfzufuhr, ein Getriebe zur Umwandlung der Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung und ergänzte ein Schwungrad zur Überwindung der Totpunkte.

Durch den Kondensator, ein vom Zylinder getrennten, immer gekühlten Behälter, der mit Dampf, dem „Steam Jacket“ (Dampf-Doppelmantel), isoliert ist, entfiel das energieaufwändige Aufheizen und Abkühlen des Zylinders. Der Wirkungsgrad erhöhte sich auf fast 3%. Watt selbst hielt das von ihm entworfene Gestänge, das „Wattsche Parallelogramm“, ein Koppelgetriebe, für seine größte Erfindung.

Unter der Patent-Nummer 913 „A New Invented Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines“ (dt. „Eine neu erfundene Methode zur Verringerung des Dampf- und Brennstoffverbrauchs bei Verbrennungsmaschinen“) und mit dem Geld des Unternehmers John Roebuck patentierte der junge Schotte 1769 seine „doppelt wirkende Dampfmaschine“.

Vom Patent zur marktfähigen Dampfmaschine

Um aus seiner Erfindung ein marktfähiges Modell zu entwickeln, brauchte Watt sieben Jahre. Denn es fehlte ein Maschinenbau, der dichte Metallteile für die Zylinderwände produzieren konnte. Finanziert durch Matthew Bulton setzte Watt ab 1774 in der Fabrik von John Wilkinson seine Ideen in die Praxis um. Hier gelang es, einen gasdichten Zylinder aus Eisen in der erforderlichen Qualität zu fertigen.

Im Jahr 1781 entstand schließlich eine Dampfmaschine, die als Antriebsmaschine verwendet werden konnte und die ausschließlich mit Dampf bewegt wurde. Die theoretischen Grundlagen wurden erst mehr als 50 Jahre später durch den französischen Ingenieur und Physiker Sadi Carnot (1796 - 1832) erklärt.

Eine schöne und sehr detaillierte Übersicht zur Entwicklung der Dampfkraftmaschinen bis in die heutige Zeit bietet das Deutsche Museum in München.

Das Marketinginstrument Pferdestärke (PS)

Die ersten Dampfmaschinen verkauften Bulton & Watt nicht, sondern vermieteten sie für die Patentlaufzeit. Das Nutzungsentgelt betrug ein Drittel der gegenüber der Newcomen-Dampfmaschine gesparten Brennstoffkosten. Die Wattsche Maschine senkte den Brennstoffverbrauch um 80%. Die Weiterentwicklung durch Konkurrenten behinderte Watt erfolgreich durch Patente.

Für die Leistung seiner Dampfmaschine ersann Watt eine Maßeinheit, unter der sich die Bergwerksunternehmer etwas vorstellen konnten: die Pferdestärke. Er definierte 1 PS als die Leistung eines starken Grubenpferdes, das in 1 s das Gewicht von 550 Pfund über eine Strecke von einem Fuß ziehen kann (33.000 Foot-pound pro Minute).

Die Ära der Dampflokomotiven

Die erste Hochdruckdampfmaschine, die mit 5 at Überdruck arbeitete (an die sich Watt wegen der Explosionsgefahr nicht herantraute), ließ sich im Jahr 1800 der englische Ingenieur Richard Trevithick (1771 - 1833) patentieren, 1801 baute er einen Dampfwagen für die Straße.

Die Weiterentwicklung zur Lokomotive gelang George (1781 - 1848) und seinem Sohn Robert Stephenson (1803 - 1859); 1822 gründete George Stephenson die erste Lokomotivfabrik der Welt. Die erste Bahnstrecke der Welt verband die 40 km entfernten Orte Stockton und Darlington und wurde 1825 in Betrieb genommen.

England als damals führende Industrienation verkaufte die Dampfmaschinen und Lokomotiven zu hohen Preisen und hütete sein Knowhow. Nach 1815 betrieben daher einige deutsche Staaten, vor allem Preußen, Industriespionage. Mit Beginn der 1830er-Jahre gestattete England schließlich die Ausfuhr von Lokomotiven.

In Deutschland fuhr die erste Lokomotive „Adler“ am 7. Dezember 1835 zwischen Nürnberg und Fürth. Maßgeblich vorangetrieben wurde das Projekt vom Nürnberger Händler Georg Zacharias Platner, der vom Leiter der Polytechnischen Schule Johannes Scharrer unterstützt wurde.

Zwei Jahre später eröffneten die Preußen die Strecke Leipzig-Dresden. Im Jahr 1840 folgten die Verbindungen München-Augsburg, 1841 Düsseldorf-Elberfeld, 1844 Nürnberg-Bamberg und 1846 Berlin-Hamburg.

Eng verbunden mit der bayerischen Eisenbahnära ist der Name Joseph Anton Ritter von Maffei, der Lokomotiven in einer modernen Fabrikanlage in der Hirschau im Englischen Garten Münchens ab 1841 fertigen lies und auch die Bahnstrecke München-Ausgburg vorantrieb.

Die deutsche Industriealisierung und der Eisenbahn-(Strecken)bau wurde durch Pioniere und Privatunternehmer wie Friedrich Harkort und Johann Friedrich Borsig in Preußen sowie Joseph Anton von Maffei in Bayern entscheidend vorangetrieben. Erst mit Gründung des Deutschen Reichs 1871 gingen die privaten Bahnstrecken auf den Staat über.

Moderne Dampfmaschinen von heute

Die Dampfmaschine ist auch heute nicht „Retro“, wie TradeMachines in seiner Hommage an James Watt feststellt, sondern wird in den modernsten Kraftwerken verwendet. 80% der weltweit erzeugten Elektrizität wird durch Dampfkraft erzeugt. Was sich allerdings änderte, ist die Anwendung von riesigen Dampfturbinen, die Kolben in den Dampfmaschinen ersetzt haben. In den Kraftwerken wird die Energie von Kohle, Sonnenlicht, Biomasse, Wind oder Kernenergie zur Erzeugung von Dampf für den Antrieb einer Turbine genutzt. Die in Bewegung gesetzte Turbine erzeugt dann über einen Synchron-Turbogenerator den Strom.

Die bisher weltweit größte Dampfturbine, Arabelle, wurde für ein britisches Kernkraftwerk, das Projekt Hinkley Point C (HPC), gebaut. Sie ist länger als ein Airbus 380. Im Projekt HPC soll voraussichtlich mehr als 3,2 GW Strom erzeugt werden. Die Energie soll ausreichen, um 6 Mio. Haushalte zu versorgen und 9 Mio. t CO₂ pro Jahr zu vermeiden. Diese Menge an CO₂ entspricht den jährlichen Emissionen von fast 2 Mio. Autos bei vierstündigem Betrieb am Tag.

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