Wissenschaft & Technik · 1712-1900

Die Dampfmaschine

1712-1900

James Watt und die Maschine, die die Industrielle Revolution möglich machte.

Die Dampfmaschine ist die wichtigste technische Erfindung der Neuzeit. Erstmals gewann der Mensch eine Energiequelle, die unabhängig war von Wasser, Wind, Mensch und Tier. Sie machte die Industrielle Revolution möglich. Eisenbahnen, Fabriken, Dampfschiffe, ganze Industrien — alles begann mit kochendem Wasser unter Druck.

Was ist eine Dampfmaschine?

Wärmekraftmaschine
Wandelt Energie heißer Dämpfe in mechanische Arbeit um
Wasser wird verdampft, dehnt sich aus
Kolben bewegt sich
Bewegung wird auf Schwungrad oder andere Maschinen übertragen
Brennstoff: zunächst Holz, dann Kohle

Vorläufer in der Antike

Heron von Alexandria (~1. Jh. n. Chr.)
"Aeolipile" — rotierende Dampfkugel
Spielzeug, keine praktische Maschine
Wurde vergessen
Antike kannte Dampfkraft theoretisch — nutzte sie nicht

Frühe Neuzeit

1606: Giovanni Battista della Porta beschreibt Dampfkraft
1690: Denis Papin baut Dampfdruckkessel
"Papin scher Topf" — Vorform Schnellkochtopf
Sicherheitsventil als wichtige Erfindung
Druck als nutzbare Kraft erkannt

Thomas Savery (1698)

Englischer Erfinder
Patentiert erste praktische Dampfpumpe
"The Miner s Friend"
Pumpt Wasser aus Bergwerken
Aber: niedrige Effizienz, gefährlich

Thomas Newcomen (1712)

Atmosphärische Dampfmaschine
Erste wirklich brauchbare Maschine
Auch für Bergwerk-Entwässerung
Tief in Bergwerken nicht mehr Pferde notwendig
Aber: extrem ineffizient (~1% Wirkungsgrad)
Über 100 Maschinen bis 1733

James Watt (1736-1819)

Der entscheidende Schritt
Schottischer Ingenieur
1763: Auftrag, Newcomen-Maschine zu reparieren
Erkennt fundamentales Effizienzproblem
1769: Separater Kondensator — Patent
Wirkungsgrad ~5-7% (Verdreifachung)
1781: Wandlung der Hub- in Drehbewegung (Planetengetriebe)
Damit erst für Fabriken einsetzbar
"Watt" als Einheit der Leistung nach ihm benannt

Boulton & Watt

1775: Partnerschaft mit Matthew Boulton
Soho Manufactory in Birmingham
Produzieren Dampfmaschinen kommerziell
"Ich verkaufe, was die ganze Welt haben will: Kraft" (Boulton)
Bis 1800: ~500 Maschinen verkauft
Patentschutz bis 1800 — danach Boom

Industrielle Anwendung

1769 ff.: erste Spinnmaschinen mit Dampfantrieb
Textilfabriken können von Wasserläufen unabhängig produzieren
Zentralisierung möglich — Fabriken statt Heimarbeit
Bergwerke vertieft
Hochöfen mit Dampfgebläse
Mahlmühlen, Sägemühlen

Dampflokomotive

1804: Richard Trevithick baut erste Dampflokomotive
"Penydarren" — fährt 16 km in Wales
Wichtige Verbesserung: Hochdruck-Dampf
1814: George Stephenson baut "Blücher"
1825: Stockton & Darlington Railway — erste öffentliche Eisenbahnlinie
1829: "Rocket" gewinnt Wettbewerb von Rainhill
1830: Liverpool & Manchester Railway — erstes echtes Eisenbahnnetz
1835: erste deutsche Eisenbahn Nürnberg-Fürth ("Adler")

Dampfschiff

1787: John Fitch baut ersten Dampfer in USA
1807: Robert Fulton — "Clermont" fährt auf Hudson
Erste kommerziell erfolgreiche Schifffahrt
1819: "Savannah" — erste atlantische Überquerung (teils unter Segel)
1838: "Great Western" — erste reine Dampf-Atlantiküberquerung (15 Tage)
Ende des 19. Jh.: Segelschiffe weitgehend verdrängt

Industrieller Boom

England als Pionier
Manchester als "Cottonopolis"
Sheffield für Stahl
Birmingham für Metallwaren
Wales und Schottland für Kohle und Schiffsbau
Deutschland holt nach (Ruhrgebiet, Sachsen)
USA ab 1830er stark
Belgien als kontinentaler Vorreiter

Wirtschaftliche Folgen

Massenproduktion möglich
Preise sinken (Textilien um 90% in 50 Jahren)
Welthandel wächst exponentiell
Britisches Empire profitiert
Erste echte Globalisierung

Soziale Folgen

Landflucht in Städte
Arbeit in Fabriken statt zu Hause
10-16 Stunden-Tage
Kinderarbeit verbreitet
Frauen in Fabriken
Slums entstehen
Erste Arbeiterbewegungen
Robert Owen, Karl Marx
Mechanisierung gefährdet Handwerk (Maschinenstürmer / Ludditen)

Konstruktive Verbesserungen

Hochdruck-Dampfmaschinen (Trevithick, Woolf)
Verbund-Maschine (mehrere Zylinder)
Ventilsteuerung (Stephenson)
Kurbeltrieb, Schwungrad
Fliehkraftregler (Watt)
Bessere Kessel (höhere Drücke)
Wirkungsgrad steigt im 19. Jh. von 7% auf 20%

Stationäre vs. mobile Dampfmaschinen

Stationäre: in Fabriken, Bergwerken
Mobile: Lokomotiven, Schiffe, später Dampftraktoren
Dampfpflug (große ortsfeste Anlage mit Seilzug)
Lokomobile: tragbare Dampfmaschinen für Landwirtschaft

Dampfmaschine im Alltag

Dampfwäschereien
Dampfbäcker
Dampfsäger
Dampfdrescher in Landwirtschaft
Dampfpresse für Zeitungen
Veränderte Alltag dramatisch

Konkurrenz

Elektromotor (ab 1880er) — sauberer, einfacher
Verbrennungsmotor (ab 1885) — Auto, Lkw
Diesel-Motor (Rudolf Diesel 1893) — Schiffe
Gasturbine
Dampfturbine (Charles Parsons 1884) — verdrängt Hubkolben in Kraftwerken

Niedergang

Anfang 20. Jh.: Dampflokomotiven dominieren noch
1950er-60er: Diesel- und Elektroloks verdrängen
DB: letzte Dampflok 1977 ausgemustert
Stationäre Dampfmaschinen verschwinden früher
Dampfschiffe: Diesel und Turbine setzen sich durch

Dampfturbinen heute

Aber: Dampfprinzip lebt weiter
Atomkraftwerke: Dampfturbine
Kohlekraftwerke: Dampfturbine
Solarthermische Kraftwerke: Dampfturbine
~80% des weltweiten Stroms aus Dampfturbinen erzeugt
Brennstoff anders, Prinzip gleich

Wirkungsgrad heute

Watt 1776: ~5%
1900: ~15-20%
1950: ~30%
Modernes Kohlekraftwerk: ~45%
Gas-Dampf-Kombikraftwerk: bis 60%
Theoretisches Limit (Carnot): nicht erreicht

Erhaltung und Museen

Deutsches Museum München
Science Museum London
Smithsonian Washington
Eisenbahnmuseen weltweit
Historische Dampfloks fahren noch (Touristik, Nostalgie)
UNESCO-Welterbe: Ironbridge Gorge (England)
Völklinger Hütte

Berühmte Dampflokomotiven

"Rocket" (1829) — Stephenson
"Adler" (1835) — erste in Deutschland
"Mallard" (1938) — Rekord 202 km/h
Big Boy (USA, 1941) — größte je gebaute Lok
Flying Scotsman
03 1010 (DR)

Kulturelle Wirkung

Dampf prägt Bilder der Moderne
Bahnhöfe als Kathedralen des 19. Jh.
Bilder von Turner: "Rain, Steam and Speed"
Literatur: Charles Dickens, Émile Zola
"Steampunk" als Genre (alternative Geschichte)
Lokführer als Berufsmythos

Politische Bedeutung

Eisenbahnen einigen Nationen
Deutschland: Eisenbahn vor Reichsgründung
USA: transkontinentale Eisenbahn 1869
Militärische Bedeutung: Truppenverlegung
Moltkes "Schlieffen-Plan" beruhte auf Eisenbahnpräzision
Kolonialismus: Eisenbahn in Afrika und Indien

James Watt s Erbe

"Watt" als physikalische Einheit (1 W = 1 J/s)
Pferdestärke (1 PS ≈ 735 W) — von Watt eingeführt
Wirkungsgrad als Konzept
Patentwesen wurde wichtig
Industrieforschung als Konzept

Globale Verbreitung

England → Belgien (1834) → Deutschland (1835) → Frankreich (1837) → USA (1830) → Russland (1837) → Japan (1872)
Jedes industrialisierte Land begann mit Dampfmaschine
Welt verändert sich grundlegend

Kochendes Wasser veränderte alles

Eine Maschine, die nichts tat außer Wasser zu kochen und einen Kolben zu bewegen — und doch veränderte sie alles. Vor Watt: Energie kam von Mensch, Tier, Wind, Wasser. Nach Watt: Energie kam aus der Kohle. Erstmals in der Geschichte konnte die Menschheit Energie speichern, transportieren, dosieren. Industrialisierung, Eisenbahn, Globalisierung, Klimawandel, Konsumgesellschaft — alles begann hier. Die Dampfmaschine ist nicht nur eine Erfindung, sie ist der Übergang von der Agrar- zur Industriegesellschaft. Und das ist die größte Zäsur seit der Sesshaftwerdung.