Part 5

Als die erste Zeichnung einer Saveryschen Maschine durch Leibnizens Vermittlung an Papin gelangte, vermochte dieser den hessischen Landgrafen zu überzeugen, daß jene Maschine im Prinzip mit der von Papin geplanten übereinstimme. Er erhielt die Mittel zu weiteren Versuchen, bei denen er aber von Dampfverdichtung und luftverdünntem Raume absah. Die 1707 beschriebene Konstruktion war eine Dampfdruckpumpe ohne Kondensation (Abb. 8). Aus dem links befindlichen Kessel, der mit Ventil versehen ist, strömt der Dampf in den in der Mitte stehenden zylindrischen Arbeitsraum, wo er eine Kolbenfläche nach unten drückt. Dadurch wird Wasser in einen (rund einen halben Dezimeter breiten und fast vierzehnmal so hohen) Zylinder gehoben, von wo aus es ein Wasserrad oder dergleichen in Bewegung setzen kann. Die Kolbenbreite oder der Schwimmer im mittleren Gefäß hatte eine Vertiefung, in die von außen glühendes Eisen gehalten wurde, um die Spannkraft des Dampfes zu erhöhen. Hatte der Dampf unter Entspannung Arbeit geleistet, so konnte er durch einen Hahn am mittleren Zylinder entweichen. Leibniz machte Papin darauf aufmerksam, daß der Abdampf verwandt werden könnte, die Luft in dem Behälter rechts zu erwärmen, die dann auch ihrerseits das Wasser noch weiter heben oder drücken könnte. Auch wies Leibniz darauf hin, daß das Öffnen und Schließen der Hähne bei dieser Maschine durch deren Gang selbsttätig bewirkt werden könnte. Das wird besonders jetzt betont, seit man die Erfindung des Knaben Potter, die automatische Steuerung, ins Reich der Fabeln verweisen zu müssen glaubt. Eine im Jahre 1706 dem Landgrafen vorgeführte Maschine hob Wasser ein Stockwerk hoch. Aber die ungünstigen politischen Verhältnisse wendeten das Interesse des Fürsten von der Technik ab, und Papin, der meist sein eigner Zeichner, Schmied und Monteur gewesen war, schiffte sich im nächsten Jahre nach England ein, wo man ihn wohl nicht nur als den Freund von Leibniz, sondern auch als den Rivalen Saverys jeder Hilfe oder auch nur vom Anstand gebotenen Unterstützung verlustig gehen ließ, so daß er dort im Elend verkam.

Gleich Savery stammt aus der Gegend von Cornwall auch Newcomen, der nächste in der Reihe der Männer, die Watts Vorläufer waren. Er wurde zu Dartmouth an der Südküste Cornwalls geboren. Einem Newcomen als Grobschmied und Eisenhändler kam es zustatten, daß er bei seinen Schmiedearbeiten nicht auf fremde Leistungen angewiesen war. Von seinem Leben wissen wir sonst wenig. Er soll als frommer Baptist selber sonntäglich gepredigt haben und für Savery ein Gegenstand der Ausnutzung gewesen sein.

Da er in der Nähe Saverys lebte, so ist es glaubhaft, daß er von dessen Bemühungen um eine Maschine für den Cornwaller Bergbau Kunde bekam, zumal Savery stets nach geschickten Werkleuten suchte. Andererseits wird auch berichtet, Newcomen sei bei der Patentierung seiner Maschine von dem einflußreichen Savery überholt und verdrängt worden. Ob er mit seinen Maschinen viel verdiente, wissen wir nicht. Aber seine Maschine war für Watt die nachhaltige Anregung und der Anlaß zu einer Reihe von weittragenden Verbesserungen. Bemerkt sei noch, daß Newcomen geschäftlich mit einem Glaser namens Cawley verbunden war, der sehr rührig und verständnisvoll dem schlichten und frommen Maschinenbauer beistand. Als Newcomen im Jahre 1729 in London starb, war seine atmosphärische Maschine schon ziemlich verbreitet. Nur zögernd aber hatte sie sich vom Jahre 1712 ab Eingang verschafft. Newcomen soll sich, als er sich mit der Absicht trug, eine Maschine eigner Erfindung zu bauen, zunächst an den berühmten Gelehrten Hooke gewandt haben. Dieser verwies ihn -- wie man erzählte -- auf Papins Versuche (die Newcomen aber wahrscheinlich gekannt hat) und riet ihm im ganzen von Bemühungen gerade in dieser Richtung ab. Newcomen muß wohl den gelehrten Herrn trotz dessen Berühmtheit richtig eingeschätzt haben. Denn er baute seine Maschine doch, und wenn sie im Prinzip gar nichts anderes ist als die erste Papinsche Kolbenmaschine mit Erzeugung luftverdünnten Raumes, so bleibt ihm doch der Ruhm, das Projekt zur Lebensfähigkeit gebracht und im großen ausgeführt zu haben. Er lief damit ja eine Gefahr, deren Größe wir aus den uns näher bekannten Schicksalen Watts ermessen können, und die wir wahrlich nicht gering veranschlagen dürfen.

Bei Newcomen dürfen wir auch nicht übersehen, daß er eben nur ein Grobschmied war und nicht zur Zunft derer gehörte, die gelehrte Geschichte schreiben. Sonst würde er wohl längst unter die genialen Erfinder gerückt worden sein, denn, wie wir noch sehen werden, hat er durch eine Beobachtung und ihre richtige Deutung sowie praktische Verwertung die Dampfmaschine bedeutend leistungsfähiger gemacht. In der Dampfmaschine Newcomens (Abb. 9) strömt der Dampf aus dem Kessel in den Zylinder und schiebt dort einen dicht abschließenden Kolben in die Höhe. Dabei wird der Kolben gleichzeitig durch das Pumpengestänge, das vom andern Ende des Schwingbalkens oder Balanciers in die Tiefe des Schachtes hinabhängt, hochgezogen. Hat der Kolben seine Höchstlage erreicht, so wird der darunter befindliche Dampf verdichtet. Anfangs geschah dies nur durch Kühlung des Kupferbehälters von außen durch Einlaß von Wasser in den Zwischenraum zwischen dem Zylinder und einem ihn umschließenden Mantel. Unter dem Kolben entstand ein luftverdünnter Raum. Damit erhielt aber die oben auf den Kolben drückende Luftsäule über das Pumpengestänge das Übergewicht und drückte den Kolben hinab. Das entgegengesetzte Ende des Balancier genannten Wagebalkens ging gleichzeitig in die Höhe und damit auch das Pumpengestänge, das unten im Schacht das zu hebende Wasser ansaugte und in die Höhe beförderte. Eines Tages fiel es Newcomen auf, daß seine Maschine plötzlich viel schneller arbeitete. Er forschte der Ursache nach und prüfte, ob der Kolben überall noch gut abdichte. Es fand sich ein Loch im Kolben, durch das Wasser von der über dem Kolben zur besseren Dichtung befindlichen Wasserschicht in den luftverdünnten Raum dringen konnte. Sofort soll Newcomen sich gesagt haben, daß das eindringende Wasser die Verdichtung des Dampfes beschleunigte und es deshalb rätlich sei, regelrecht Wasser in den Arbeitsraum des Dampfes und nachfolgenden Vakuums einzuspritzen. Dieser Gedanke, mag er nun dem Zufall oder der Überlegung entsprungen sein, erwies sich außerordentlich wertvoll. An Stelle der Oberflächenkondensation des Dampfes trat jetzt die Einspritzverdichtung. Das vermehrte die Hubzahl der Maschine bedeutend. Die beiden Hähne, von denen der eine den Dampf vom Kessel nach dem Zylinder, der andre das Einspritzwasser in den dampfgefüllten Zylinder strömen ließ, wurden sehr bald derart mit der Bewegung des Wagbalkens oder Schwingbaums verbunden, daß die ganze Steuerung der Maschine selbsttätig arbeitete. Daß der berühmte Knabe Humphrey Potter zuerst die Hebel der von ihm gewarteten Hähne mit dem Balancier verbunden hat, wird jetzt stark angezweifelt, doch auch nicht genügend widerlegt. Und man fragt vergebens, ob sich eine derartige Überlieferung habe aus der Luft greifen lassen. Noch zu Newcomens Lebzeiten wurde durch Henry Beighton die selbsttätige Steuerung folgendermaßen gestaltet (Abb. 10). Ein sogenannter Steuerbaum hing vom diesseitigen Hebelarm des Balanciers herunter und bewegte sich mit ihm auf und ab. Zapfen an diesem Steuerbaum drückten auf die Steuerhebel, brachten Überfallgewichte zum Kippen und bewirkten dadurch ein schnelles Öffnen oder Schließen der Dampf-, bzw. Einspritzöffnung.

Beim Dampfeinlaß wurde eine Platte, die sich auf der Innenseite des Kessels befand und sich mit einer durch die Kesselwand gehenden beweglichen Achse drehte, weggeschoben. Diese Achse wurde mittelbar durch den Steuerbaum hin und her gedreht. Ebenso ließ sich der Einspritzhahn durch Hin- und Herdrehen einer Achse unter Vermittlung des Steuerbaums bewegen. Abbildung 10 veranschaulicht die selbsttätige, von Beighton eingeführte Steuerung sehr klar. Links den Steuerbaum mit den quergesteckten Zapfen denke man sich aufwärts bewegt. Der oberste Zapfen wird dann den gebogenen Hebelarm heben und dadurch die obere Steuerwelle drehen, so daß das oben befindliche Gewicht kippt und der eine Gabelarm des umgekehrten Ypsilons in den Querzapfen einer wagrecht angeordneten Zugstange eingreift. Man verfolge nun den Weg zum Dampfeinlaß. Dann wird man leicht bemerken, daß die gestrichelt gezeichnete schwingende Dampfeinlaßplatte sich innen im Kessel vor den Dampfauslaß stellen muß. Der untere Zapfen am Steuerbaum aber wird beim Hinaufgehen den Hebel in die Höhe drücken, der die zweite Steuerwelle dreht. Daran befindet sich ein Zahnradabschnitt. Dieser gezähnte Sektor greift in einen zweiten gleichartigen Zahnradabschnitt ein und betätigt den Hahn der Kühlwassereinspritzleitung. Schon vor Smeaton, dem Rechtsanwaltssohn, der die Newcomenmaschine durch systematische Forschung bedeutend verbesserte, wurde ein Organ zur Regulierung der Hubzahl oder Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine verwandt, Katarakt (Wasserfall) genannt (Abb. 11). Der Gang der Maschine war abhängig vom Tempo der Kühlwassereinspritzung. Diese Einspritzung wurde ausgelöst durch das Emporgehen des links unten in dem Behälter befindlichen schräg gestellten Hebelarms des Winkelhebels. Sein senkrechter Winkelarm trägt ein Trichtergefäß, das von oben durch Wasserfluß so weit gefüllt wird, bis es umkippt und den nach unten gerichteten Hebelarm in die gestrichelt gezeichnete höhere Lage bringt. Dadurch wird unten eine Klinke ausgehoben und der Kühlwassereinlaß geöffnet. Die Hubzahl konnte daher durch Einstellung des kleinen Zuflußhahnes über dem Katarakt beliebig bemessen werden. Im Munde der Bergleute hieß der Katarakt scherzweise »~Jack in the box~« (»Hans in der Büchse«). Das Einspritzwasser, das seine Arbeit getan hatte, wurde durch eine Abflußröhre aus dem Zylinder entfernt. Die Luft gelangte durch das sogenannte Schnüffelventil aus dem Dampfarbeitsraum ins Freie, indem sie ein Ansatzrohr am unteren Zylinderende passierte und, Blasen werfend, durch das Wasser entwich, das sich über dem Klappventil befand, um das Eindringen der äußeren Luft zu verhindern. Aus unserer Beschreibung geht zur Genüge hervor, daß sich an dieser atmosphärischen Maschine vor dem Eingreifen Watts bereits mancher höchst sinnreiche Mechanismus befand, daß das Ganze sich überhaupt schon der Papinschen Vakuumkolbenmaschine gegenüber im Verhältnis des etwas noch plumpen, aber doch ausgewachsenen Mannes zum unbehilflichen, aber alle Anlagen enthaltenden Kindlein befand.

Eine verbesserte Newcomenmaschine im Roman.

Die Newcomenschen Feuermaschinen wurden in der Folgezeit mannigfach verbessert. Besondere Ersparnisse an Feuerungsmaterial erzielte der Erbauer des Eddystoneleuchtturmes Smeaton, der berühmte Ingenieur und Freund Watts, der Watt nach dessen eigenem Zeugnis wie die jüngeren Ingenieure überhaupt technisch denken gelehrt hat. Als die Wattschen Maschinen aufkamen, hörte man noch lange nicht auf, Newcomensche Feuermaschinen zu bauen, zumal da, wo die Kohle reichlich und billig war. Auch Wattsche Verbesserungen wurden dabei verwandt, so zum Beispiel die Schließung des Zylinders auch oben, die Durchführung der Kolbenstange durch eine gutgedichtete Stopfbüchse, die Lenkung des Dampfes so, daß er bald über, bald unter dem Kolben eintritt und so die Arbeit übernimmt, die vorher der Luftdruck allein besorgt hatte. Eine solche Maschine beschreibt uns Max Eyth in seinem Roman »Der Schneider von Ulm«. Sie war zu Anfang des 19. Jahrhunderts in der Friedrichsgrube bei Tarnowitz in Oberschlesien tätig; gerade aber die bedeutendsten Wattschen Verbesserungen, der getrennte Kondensator und das Parallelogramm zur Geradführung der Kolbenstange, fehlten nach der Beschreibung. Diese Maschine, im Grunde eine Mischung Newcomenscher und Wattscher Ideen, ist aber gerade, weil ihr das Wichtigste der Wattschen Maschine abgeht, nämlich der gesonderte Dampfverdichtungsraum oder Kondensator, mehr als eine Newcomensche denn als Wattsche Feuermaschine zu bezeichnen. Weil sie den Übergang von der einen zur andern gut veranschaulicht, wollen wir die Stelle aus dem Eythschen Roman hierhersetzen:

»Auf dem Weg nach dem Maschinenhaus hörten sie die dumpfen, geheimnisvollen Schläge des Ungetüms mit jedem Schritt deutlicher. Vor dem Haus schien der Boden zu zittern, Ketten klirrten, Stangen rasselten; hinter dem Haus hörte man Wasser rauschen, als ob ein mächtiger Bach über Felsen stürzte. -- Als sie in den hohen, matt erhellten Raum eintraten, war es zunächst schwierig, irgend etwas zu unterscheiden. Ein finsteres, formloses Ding, wie die Trommel einer riesigen Säule, stand auf einem Untersatz aus roh behauenen Quadern. Dies war der neue Zylinder, aus dem eine blinkende, runde Stange emporschoß, um sodann wieder in seinem Inneren zu versinken. Die Stange hing an einer schweren Kette, die hoch oben, fast am Dach des Gebäudes, von einem Arm aus wuchtigen Holzbalken in die Höhe gezogen wurde, der sich langsam und feierlich auf und ab bewegte, aber bei jedem Niedergang mit dröhnendem Lärm auf eine Unterlage aufschlug, die im Mauerwerk angebracht war. Hinter dem Steinpfeiler, der den Drehzapfen dieses wagebalkenartigen Doppelarmes trug, hing, wieder an einer Kette, das gewaltige Pumpengestäng, das in der unergründlichen Tiefe einer schwarzen Schachtöffnung verschwand. Von den Armen des Schwingbaums hingen vor und hinter dem Pfeiler weitere Stangen herab, von denen die eine an wunderlich geformten Hebeln und Knaggen zog und drückte, die manchmal dem Gang der Stange folgten, dann wieder plötzlich, als ob sie ärgerlich wären, selbständige, unerwartete, schnappende Bewegungen machten. Die Stange auf der andern Seite des Pfeilers saugte an einer kleinen Pumpe, die in einer Grube verdeckt stand und in heftigen Stößen dampfendes Wasser in eine Rinne warf, das gurgelnd durch ein Loch in der Mauer davonlief. Das also war die Feuermaschine. Neben ihr, in einen unförmlichen Backsteinmantel eingemauert, stand der Dampfkessel, vor dessen feuersprühender Esse ein schweißtriefender, kohlenschwarzer Mann hantierte. Wenn er die Feuertür öffnete, um frische Kohlen auf die sausende Glut zu werfen, glühten der ganze Raum, die Hebeln und Knaggen, die blinkende Kolbenstange und die schwarzen Ketten in flammrotem Licht, das wildbewegte, fast greifbare Schatten in die Ecken und Winkel des finsteren Gebäudes warf. Das Unheimlichste waren die Töne des Ungetüms. Das knarrte und ächzte, knallte und krachte, zischte und sauste, seufzte und stöhnte, bald da, bald dort, als ob in jedem Winkel ein andrer Kobold säße. Alles aber übertönte der donnerähnliche Schlag in der Höhe, wenn der Schwingbaum auf seine Unterlage traf. Dem Schlag folgte eine fünf Sekunden lange feierliche Stille. Dann war es, als ob jemand auf den Boden, auf ein Blech klopfte; langsam, widerwillig setzte der Schwingbaum sich wieder in Bewegung, unten im Schacht räusperten sich die Pumpen, und das grause Spiel, das Ächzen und Stöhnen, das Sausen und Zischen, das Knallen und Schlagen begann aufs neue. Wer erinnert sich an all das, wenn er in den spiegelblanken Salon tritt, in dem heutzutage eine Dampfmaschine von tausend Pferdekräften mit einem kaum hörbaren Seufzer, wenn nicht ganz lautlos, ihre Riesenarbeit verrichtet? So aber sah und hörte es sich an, als die Dampfmaschine in ihrer Kindheit die Glieder zu regen begann!« Die folgende Schilderung von der Dampfsteuerung bald über, bald unter den Kolben betrifft eine Anordnung, die erst Watt aufgebracht hat; dagegen beachte man, daß die Kondensation nicht in einem besonderen Behälter wie bei Watt, sondern unmittelbar noch wie bei Newcomen unter dem Kolben erfolgt. Von der fundamentalsten Erfindung Watts ist also hier kein Gebrauch gemacht.

Es heißt da im Roman weiter: »Die Knaggen und Hebel, die ein vom Schwingbaum auf- und abgezogener Rahmen in Bewegung setzte, öffneten und schlossen die Ventile, die den Dampf bald in den oberen, bald in den unteren Zylinderraum eintreten ließen. Das aber ging so zu: zuerst strömte der Dampf in den oberen Zylinderraum und drückte den Kolben nach unten. War der Kolben am Boden angelangt, so schloß sich das Einlaßventil, und ein anderes öffnete sich, so daß der Dampf aus dem oberen in den unteren Zylinderraum treten konnte, während das Gewicht des Pumpengestänges am andern Ende des Schwingbaums den Kolben nach oben zog. War der Kolben wieder oben und infolgedessen aller Dampf im Zylinder in den unteren Zylinderraum getreten, so schloß sich das Ventil zwischen dem oberen und unteren Raum. Gleichzeitig spritzte eine kleine Hilfspumpe kaltes Wasser in den Zylinder, so daß sich der dort befindliche Dampf kondensierte und ein luftleerer Raum entstand, der den Kolben wieder herabzusaugen suchte. Wenige Sekunden nachher öffnete sich aber auch das Ventil wieder, das frischen Dampf in den oberen Zylinderraum zuließ, so daß sich der Kolben wieder mit voller Kraft abwärts bewegte und das Pumpengestäng aufs neue emporhob, worauf sich diese Bewegungen wie zuvor wiederholten. Das Gewicht des Pumpengestänges drückten die Grubenwasser in die Höhe; was die Feuermaschine tat, war, nach jedem Pumpenstoß das Gestäng wieder zu heben oder, in andern Worten, die vierzig Pferde zu ersetzen, die vordem an dem Pumpengestäng gezogen hatten.«

Watt erfindet den Kondensator.

Watts jugendlicher Freund Robison hatte die Aufmerksamkeit des Erfinders zum ersten Male auf die Dampfmaschine gelenkt, als er ihm vorschlug, die in Newcomenschen Maschinen bereits so erfolgreich verwertete Dampfkraft zur Bewegung von Wagen heranzuziehen. Das ist nach Watts eigner Angabe 1759, vielleicht oder schon etwas früher gewesen. Sobald seine Geschäfte es ihm wieder erlaubten, befaßte er sich mit Versuchen, indem er auf einen Papinschen Digestor oder Kochtopf eine Röhre mit beweglichem Kolben aufsetzte, den hochgespannten Dampf durch eine verschließbare Öffnung in diese Röhre treten und darin den ziemlich belasteten Kolben hochschieben ließ. In dieser Richtung auf eine Dampfmaschine hinzuarbeiten, gab er aber auf, als ihm klar wurde, daß genügende Dichtung nicht zu erreichen und die Explosionsgefahr zu groß war. Jedenfalls aber sah er sich bereits in der Literatur über Dampfmaschinen um, zumal, als ihm 1763 von der Universität der Auftrag wurde, das Modell einer Newcomenschen Maschine (Abb. 12) wieder instand zu setzen. Diesen Auftrag hatte Watt vielleicht selbst durch Vermittlung des ihm befreundeten Professors Anderson herbeigeführt, als ihm bekannt wurde, daß dies Modell vorhanden war und sich bei einem Londoner Mechaniker zur Ausbesserung befand, ohne dort in Angriff genommen zu werden. Watt studierte fleißig die Werke von Desaguliers und Belidor über die Geschichte der Dampfmaschine. Nachdem er jenes Modell vom mechanischen Standpunkt aus völlig instand gesetzt hatte, fand er, daß trotz des großen Kessels nicht genügend Dampf erzeugt wurde, um einen Hub zu erzielen, dabei war der Dampfkessel im Gegensatz zu den wirklichen Maschinen sogar unverhältnismäßig groß. Dies setzte Watt in nicht geringes Erstaunen. Wo lag der Grund, daß im kleinen trotz verhältnismäßig größeren Kessels der Apparat nicht arbeitete? Watt stellte Versuche an, ob vielleicht das ungünstige Verhältnis der Gesamtoberfläche des Zylinders zum Zylinderinhalt schuld trüge. Er stellte sich ferner Zylinder aus anderm Material, aus Eisen und Holz statt aus Bronze her, woraus der Zylinder des Modells gemacht war. Vielleicht waren die Wärmeleitungsverhältnisse dieser Stoffe entscheidend? Aber alle diese Versuche führten zu keinem befriedigenden Ergebnis. Was er da fand, stand in schwer vereinbarem Gegensatz zu den Tatsachen bei großen Maschinen. Erzielte er durch stärkere Kühlwassereinspritzung ein schnelleres, größeres und kräftigeres Vakuum, so bedurfte es gleich hinterher wieder viel mehr Dampfes, da die Abkühlung der Zylinderwände größer geworden war und nunmehr ein Teil des Dampfes seiner Elastizität durch die größere Abkühlung verlustig ging. Auch ward es Watt offenbar, daß bei minder starker Abkühlung im Vakuum ein Teil des Einspritzwassers unter dem niedrigeren Druck schneller verdampfte als unter Atmosphärendruck.

Es half nichts. Wollte der junge Mechaniker eine auf Maß, Zahl und Gewicht zurückgeführte Klarheit über diese Verhältnisse gewinnen, so mußte untersucht werden, bei welchen Temperaturen Wasser unter größeren als atmosphärischen Drucken kocht, mußte festgestellt werden, welche Menge Dampfes sich aus einer bestimmten Menge Wassers entwickelt, mußte erforscht werden, wieviel Wärme der Dampf an Wasser abgibt, wenn er dessen Wärme auf seine eigene Temperatur erhöht.