Die größten Erfindungen: die Dampfmaschine

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.

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.

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.

Watt war sich der Probleme der existierenden Dampfmaschinen bewusst. Er verbesserte sie, indem er die Konstruktion um einen Kondensator erweiterte, in dem der Wasserdampf kondensierte. Mit dieser und weiteren Maßnahmen reduzierte er die Wärmeverluste im Zylinder und steigerte die Leistung deutlich. Mit seiner patentierten Niederdruck-Dampfmaschine von 1769 entwickelte er ein Modell, das schneller und sparsamer arbeitete sowie 75 Prozent weniger Kohle als die Apparatur von Newcomen benötigte.

1775 gründete er mit einem Partner die erste Dampfmaschinenfabrik. Bald wurden seine Apparate in Bergwerken und Textilfabriken eingesetzt, auf Schiffen und Lokomotiven. 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. Die Alternative war die Verwendung eines Planetengetriebes.

Allerdings erfuhr sein Kontrahent Washborough von der Kurbelidee und kam Watt beim Patentamt zuvor. So musste der Schotte auf das Planetengetriebe zurückgreifen. Das Umlaufrad konnte entweder innen oder außen auf dem Wellenrad aufgesetzt werden und übertrug die Kraft direkt auf die Welle, während die Kurbel zuerst den Kurbelzapfen ansteuerte. Natürlich wusste Watt von den theoretischen Vorteilen des Zahnrades, 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.

Innerhalb weniger Jahrzehnte kam es schließlich zu einem dramatischen sozialen Wandel: Die Mehrheit der Bevölkerung etwa in England lebte nun in Städten und arbeitete in Fabriken. Die erste industrielle Revolution begann – vor allem dank der Erfindung von James Watt und seiner Dampfmaschine.