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21.12.18 / Startschuss für die industrielle Revolution / Vor 250 Jahren erhielt James Watt das Patent für die erste direktwirkende Niederdruckdampfmaschine

© Preußische Allgemeine Zeitung / Folge 51/52-18 vom 21. Dezember 2018

Startschuss für die industrielle Revolution
Vor 250 Jahren erhielt James Watt das Patent für die erste direktwirkende Niederdruckdampfmaschine
Wolfgang Kaufmann

Wenn es ein Datum gibt, das sich dazu eignet, den Beginn der Industriellen Revolution punktgenau zu markieren, dann ist das der 5. Januar 1769. An diesem Tage erhielt der schottische Erfinder James Watt das Patent für die erste direktwirkende Niederdruckdampfmaschine. Mit dieser Maschine schenkte er der Wirtschaft eine für damalige Verhältnisse hocheffiziente Kraftquelle.

Aufgrund der zunehmenden Größe und Tiefe der englischen Kohlebergwerke zum Ende des 17. Jahrhunderts wurde das Abpumpen des Grubenwassers zum entscheidenden Rentabilitätsfaktor. Deshalb konstruierte der Ingenieur Thomas Savery eine kolbenlose Dampfpumpe namens „The Miner’s Friend“ (Des Bergmanns Freund), die er sich am 2. Juli 1698 patentieren ließ. Sie basierte auf der Apparatur, die der französische Physiker Denis Papin 1690 gebaut hatte. Damit schuf er praktisch die erste funktionierende Wärmekraftmaschine der Welt. 

Jedoch wies Saverys Kreation diverse Mängel auf. So konnte die Pumpe das Wasser lediglich um zwölf Meter heben und hatte zudem einen Wirkungsgrad, der nur im Promillebereich lag. Deshalb entwickelte Thomas Newcomen, ein Schmied und Eisenwarenhändler aus Dartmouth, in zehnjähriger Arbeit die atmosphärische Dampfmaschine mit Wassereinspritzung, deren Wirkungsgrad nunmehr 0,5 Prozent betrug. Sie kam erstmals 1712 in den Conygree-Kohlegruben nahe Dudley in der Grafschaft West Midlands zum Einsatz.

Wegen des enormen Kohleverbrauchs der Newcomen-Dampfmaschine war an eine Verwendung abseits von Bergwerken überhaupt nicht zu denken. Deshalb lag es nahe, auch dieses Modell zu verbessern und universell tauglich zu machen, was allerdings erst einige Jahrzehnte darauf durch James Watt gelang. 

Der spätere Erfinder hatte am 19. Januar 1736 in der westschottischen Hafenstadt Greenock das Licht der Welt erblickt und sich eigenständig zum Mechaniker qualifiziert. Ab Juli 1757 arbeitete er als Instrumentenmacher an der Universität von Glasgow und fertigte in dieser Eigenschaft vor allem nautische Instrumente an. Im Winter 1763/64 bekam Watt den Auftrag, das sehr schlecht funktionierende Modell einer Dampfmaschine nach der Bauart von Newcomen zu reparieren. Watt befass­te sich äußerst gründlich mit dem Konstruktionsprinzip der Apparatur und fand schließlich Wege zu deren nachhaltiger Verbesserung. Einer bestand darin, die gravierenden Wärmeverluste durch das fortwährende Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden. Die Lösung lag hier im Hinzufügen eines außenliegenden Kondensators sowie der Dampfumspülung des Zylinders.

Watt bezahlte einen hohen Preis für seine Tüftelei. Um genügend Zeit dafür zu haben, gab er 1765 die einträgliche Stelle an der Universität auf und versuchte stattdessen, als Feldvermesser über die Runden zu kommen. Deshalb häuften sich Schulden auf, die ihn daran hinderten, seine Erfindung kommerziell zu verwerten. Die Wende brachte hier erst eine Kooperation mit dem technikbegeisterten Eisenfabrikanten und Minenbesitzer John Roebuck aus Kinneil. 

Kurz nach deren Zustandekommen erhielt James Watt am 5. Januar 1769 das englische Patent Nr. 913 für seine Dampfmaschine, die immerhin 60 Prozent weniger Steinkohle verbrauchte als das Modell von Newcomen, das inzwischen durch John Smeaton verbessert worden war. Allerdings scheiterte die erste praktische Verwendung der Konstruktion in der Kohlegrube Roebucks. Watt war der Verzweiflung nahe. „Es gibt nichts Törichteres im Leben, als das Erfinden“, schrieb er damals an einen Freund. 

Wenig später ging Roebuck pleite. Der vermögende Industrielle Matthew Boulton aus Birmingham, dem Roebuck 1200 Pfund schuldete, erklärte sich bereit, die weitere Finanzierung zu übernehmen, wenn er zu 50 Prozent am Gewinn beteiligt und das Patent um 25 Jahre bis 1800 verlängert werde. Und tatsächlich genehmigte das Unterhaus in London den Antrag auf Letzteres während einer Anhörung am 22. Mai 1775.

Die erste funktionsfähige Dampfmaschine der nunmehrigen Firma Boulton & Watt kam ab 1776 in der Metallfabrik von John Wilkinson beim Ausbohren von Kanonenrohren zum Einsatz. Alle nachfolgend ausgelieferten Maschinen wurden dann nicht verkauft, sondern über die Patentlaufzeit verleast. Als Nutzungsentgelt war jeweils ein Drittel der gegenüber dem Newcomen-Modell eingesparten Brennstoffkosten fällig.

Zwischen 1781 und 1788 optimierte Watt seine Erfindung. So entwickelte er ein Kreisschubgetriebe, um den Kolbenhub in Drehbewegungen umzuwandeln. Seitdem konnten Dampfmaschinen ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen, was die Industrialisierung in England entscheidend vorantrieb. Dazu gesellte sich später das Wattsche Parallelogramm, das eine deutliche Vergrößerung des Kolbenhubs und Erhöhung der Laufruhe ermöglichte. Außerdem stattete Watt die Maschinen ab 1788 mit Fliehkraftreglern zum Ausgleich von Belastungsschwankungen an der Antriebsachse aus. Durch diese Verbesserungen erreichte er schließlich einen Wirkungsgrad von drei Prozent – immerhin das Dreifache der weiterentwickelten Newcomen-Maschine. Selbiges bescherte Watt weitere fünf Patente sowie den finanziellen Durchbruch. 1790 standen bereits um die 500 der von ihm entwickelten Dampfmaschinen in den Bergwerken und Fabrikhallen der britischen Inseln.

Gleichzeitig blockierten Watt und Boulton die Weiterentwick­lung der Dampftechnik durch die Konkurrenz, indem sie bis 1800 jeden juristisch verfolgten, der Watts Patent auf das Prinzip der Kondensation außerhalb des Zylinders verletzte. Hierdurch stagnierte zunächst die Einführung von deutlich effektiveren Hochdruck- und Verbunddampfmaschinen. 

Watt und Boulton zogen sich 1800 aus der Leitung der Firma zurück und übergaben diese an ihre jeweiligen Söhne. Der Vater der modernen Dampfmaschine betrieb noch eine Zeitlang experimentelle Forschungen und starb am 25. August 1819 hochgeehrt in seinem Haus Heathfield Hall in Handsworth (Staffordshire). 

Schon zu diesem Zeitpunkt hatten hellsichtige Beobachter der Entwicklung erkannt, dass die Erfindung der Dampfmaschine nicht nur positive Konsequenzen haben würde. So schrieb der deutsche Dichter Johann Wolfgang von Goethe kurz nach Watts Tod in seinem Roman „Wilhelm Meisters Wanderjahre“: „Das überhand nehmende Maschinenwesen quält und ängstigt mich, es wälzt sich heran wie ein Gewitter, langsam, langsam; aber es hat seine Richtung genommen, es wird kommen und treffen.“