Erfindung der Dampfmaschine
Die Dampfmaschine wurde bereits in der Antike erfunden. Ungefähr im Jahr 62 n. Chr. lebte in Alexandria ein Mathematiker und Erfinder, namens Heron. Dessen Heronsball gilt als erste Dampfmaschine der Geschichte. Spätere Maschinen von Thomas Newcomens (1712) und James Watt (1769) waren lediglich Verbesserungen zur antiken Dampfmaschine.
Wie funktionierte die Dampfmaschine?
Wasserdampf besitzt eine geringere Dichte als Luft. Dadurch steigt dieser Dampf nach oben und erzeugt Luftdruck. Die Dampfmaschine nutzt diesen Druck, um damit eine mechanische Wirkung zu erzielen. Kühlt man den Wasserdampf wieder ab, sinkt der Dampf wieder nach unten – wodurch ebenfalls ein Luftdruck durch die Abwärtsbewegung entsteht.
Die antike Dampfmaschine muss demnach lediglich den Druck des auf- und absteigenden Wasserdampfes in einem Zylinder auffangen, in ein angrenzendes Rohr weiterleiten – um damit eine mechanische Bewegung auszulösen.
Wann und wo wurde die Dampfmaschine erfunden?
Aeolipile bzw. Heronball wurde die erste Dampfmaschine genannt
Der Heronsball oder auch Äolsball, Aeolipile oder Äolipile genannt, arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Düsenantrieb. Bereits im Jahr 62 n. Christus demonstrierte Heron seine Erfindung, indem er eine Kugel mit 1500 Umdrehungen pro Minute rotieren ließ.
Der Äolsball funktioniert folgendermaßen. Das untere Gestell ist ein Wasserkessel. Darunter befindet sich eine Feuerstelle. Oben befindet sich eine Kugel, welche in ein Gerüst gefasst ist. Diese Kugel besitzt zwei Austrittsventile und ist rotierbar.
Sobald die Feuerstelle angezündet wird, erhöht sich die Wassertemperatur im Kessel. Es entsteht Wasserdampf, welcher – durch die Halterungsrohre – nach oben steigt. Die Rohre münden in die Kugel. Allmählich füllt sich die Kugel mit Wasserdampf, welcher aus den beiden Austrittsdüsen wieder hinausströmt. Und sobald der Dampf dann aus den Drüsen strömt, beginnt sich die Kugel zu drehen.
Die Maschine von Heron funktionierte, jedoch wusste niemand etwas mit dieser Erfindung anzufangen. Und dies obwohl eine antike Eisenbahn bereits 700 Jahre zuvor erfunden wurde. Denn auf dem Isthmus von Korinth wurden zwischen 600 v. Christus und 900 n. Christus regelmäßig Schiffe auf dem Landweg transportiert. Der griechische Landweg verband den korinthischen und den Saronischen Golf miteinander.
Die korinthische Diolkos, so bezeichnete man die antike Gleitbahn, wurde auf einen künstlichen Damm entlang gezogen. Der Damm bestand aus Kalkblöcken, in welche zwei parallele Rillen geschnitten wurden.
In diese Rillen wurden rechts und links Eisenkarren eingehängt, welche man mit Schiffen belud. Sklaven mussten dann diese Rollwagen schieben bzw. ziehen. Durch diesen künstlichen Landkanal wurde der Seeweg zwischen dem Ionischen Meer (Korinthischer Golf) und dem Ägäischen Meer (Saronischer Golf) abgekürzt.
Der Diolkos war circa 1500 Jahre in Betrieb, wurde allerdings nur durch Menschenkraft betrieben. Hätte man die Erfindung des Heron von Alexandria mit dieser Gleitbahn kombiniert, hätte man eine mechanische Eisenbahn bereits zur Zeitenwende gehabt.
Newcomens Dampfmaschine als Weiterentwicklung des Äolsballs
Der Schienenweg geriet nach dem Zerfall des Diolkos (900 n.Chr.) für circa 500 Jahre in Vergessenheit. Erst im 14. Jahrhundert begann man wieder damit, ein Schienennetzwerk in Bergwerken aufzubauen. Und erst 1712 wurde Herons ursprüngliche Erfindung durch Thomas Newcomens wieder aufgegriffen.
Newcomens Dampfmaschine Quelle: Meyers Konversationslexikon 1890
Die Newcomen-Dampfmaschine hatte Wasser erhitzt, wodurch Wasserdampf entstand. Dieser wurde in einen Zylinder geleitet. Da Wasserdampf leichter als Luft ist, steigt dieser nach oben. Im Zylinder entstand dadurch ein Luftdruck nach oben.
Kühlt man den Wasserdampf wieder ab, wird dieser wieder schwerer als Luft, wodurch ein Luftdruck nach unten entsteht. Den Druck nach oben und unten kann man dann aus dem Zylinder leiten, um damit einen mechanischen Hebel zu bedienen.
Die Newcomens-Dampfmaschine diente der Wasserhebung in Bergwerken. Sie sollte somit Grubenwasser aus dem Berg fernhalten bzw. abtransportieren. Dazu wurde ein Wasserzylinder erhitzt, so dass Wasserdampf entstand. Der Dampf drückte einen Balancier nach oben. Auf der anderen Seite des Balanciers war ein Kolben, welcher das Wasser aus dem Berg pumpte.
Im zweiten Akt wurde in den Wasserdampf-Zylinder dann Wasser zur Kühlung eingespritzt, um den Dampf zu kondensieren. Dadurch entstand im Zylinder ein Unterdruck. Dieser bewirkte, dass der Kolben wieder sank.
Diese atmosphärische Dampfmaschine wurde zum ersten Mal in einem Kohlebergwerk in Staffordshire genutzt. Ohne Schwungrad oder Kurbelwelle funktionierte diese Maschinen nur durch die Kraft des Wasserdampfes und den Druckunterschieden.
Bis ins Ende des 18. Jahrhunderts verwendete man diese Apparate bis James Watt diese Maschine nachbesserte.
James Watts Dampfmaschine war eine Nachbesserung der Newcomens Maschine
Oft wird James Watt als Erfinder der Dampfmaschine bezeichnet, was allerdings nicht stimmt. Denn Watt hat lediglich die atmosphärische Dampfmaschine von Newcomens nachgebessert, welche wiederum nur auf der Dampfmaschine des antiken Heron beruhte.
Seine Nachbesserung ließ er sich Watt im Jahr 1769 patentieren, was ihm zum urkundlichen Erfinder macht.
Was machte James Watt?
Er verlagerte den Abkühlzylinder nach außen in einen separaten Kondensator. Durch diesen Zusatz erhielt die Maschine eine viel höheren Wirkungsgrad. Denn der Einspritzkondensator hinterlässt ein fast vollständiges Vakuum. Und im vollkommenen Vakuum herrscht keine Gewichtskraft – auch nicht von Wasserdampf. Dadurch machte sich der Druckunterschied noch besser bemerkbar, was wiederum zu mehr Bewegungsenergie führte.
James Watt ist demnach nicht der Erfinder der Dampfmaschine, aber der Erfinder des Kondensators – welcher die Leistung der Dampfmaschine erheblich verbesserte.