Die Dampfmaschine: Newcomen und Watt

James Watts getrennter Kondensator, patentiert am 5. Januar 1769, ermöglichte einer Dampfmaschine dieselbe Arbeit bei etwa zwei Dritteln weniger Kohle.

Wasser in den Bergwerken

Um 1700 verbrannte Großbritannien immer mehr Kohle, und die leicht erreichbaren Flöze nahe der Oberfläche gingen zur Neige. Tiefere Gruben liefen voll Wasser, und es mit Pferden abzupumpen war langsam und teuer. 1698 ließ Thomas Savery eine Dampfpumpe patentieren, die er „Miner’s Friend“ („Freund des Bergmanns“) nannte, doch sie konnte Wasser nicht sehr hoch heben, und ihre Kessel waren gefährlich. Thomas Newcomen, ein Eisenwarenhändler aus Dartmouth in Devon, fand einen besseren Weg. 1712 baute er mit seinem Partner John Calley eine Maschine, die Wasser aus dem Kohlebergwerk Coneygree bei Dudley in den West Midlands pumpte. Sie gilt allgemein als die erste erfolgreiche Dampfmaschine dieser Art, und eine voll funktionsfähige Nachbildung in Originalgröße läuft heute im Black Country Living Museum auf demselben Gelände.

Wie Newcomens Maschine arbeitete

Newcomens Maschine nutzte das Gewicht der Luft statt des Drucks des Dampfes. Dampf unter niedrigem Druck aus einem Kessel füllte einen großen Zylinder unter einem Kolben. Dann spritzte man einen Strahl kaltes Wasser in den Zylinder. Der Dampf kondensierte zu ein paar Tropfen Wasser und erzeugte einen Unterdruck, und der Druck der Atmosphäre draußen drückte den Kolben nach unten. Der Kolben hing an einer Kette am einen Ende eines riesigen Holzbalkens; ging er nach unten, hob sich das andere Ende und zog eine Pumpenstange im Schacht hoch. Wurde wieder Dampf eingelassen, zog das Gewicht der Pumpenstange den Balken zurück, und der Kreislauf begann von Neuem, etwa ein Dutzend Mal pro Minute. Da der Dampf unter so niedrigem Druck stand, bestand kaum die Gefahr, dass der Kessel platzte. Bis zu Newcomens Tod gab es mehr als hundert seiner Maschinen in England und weitere in Europa.

Das Problem, das Watt erkannte

James Watt war Hersteller mathematischer Instrumente und hatte eine Werkstatt an der Universität Glasgow, wo ihm der Chemiker Joseph Black Freund und Förderer wurde. Im Winter 1763 auf 1764 sollte er das kleine Modell einer Newcomen-Maschine der Universität reparieren, das immer wieder ausfiel. Watt stellte fest, dass etwa 80 Prozent der Wärme im Dampf nur dafür verbraucht wurden, den Zylinder wieder aufzuwärmen, nachdem ihn jeder Spritzer kalten Wassers abgekühlt hatte. Die Lösung, die er bis 1765 ausarbeitete, war, den Dampf an einer anderen Stelle zu kondensieren. Ein getrennter Kondensator, dauerhaft kalt gehalten und über ein Rohr mit dem Zylinder verbunden, saugte den Dampf ab und verwandelte ihn in Wasser, während der Zylinder selbst heiß blieb. Am 5. Januar 1769 erhielt Watt ein Patent auf „eine neue Methode, den Verbrauch an Dampf und Brennstoff in Feuermaschinen zu verringern“. Das Science Museum nennt es die größte einzelne Verbesserung, die je an der Dampfmaschine vorgenommen wurde.

Boulton und Watt

Aus einem Modell eine funktionierende Maschine zu machen, dauerte Jahre und kostete Geld. 1774 zog Watt nach Birmingham, und 1775 ging er eine Partnerschaft mit dem Fabrikanten Matthew Boulton ein, dessen Soho-Werk über die geschickten Eisenarbeiter verfügte, die Watt brauchte. Die ersten Maschinen von Boulton und Watt nahmen 1776 die Arbeit auf, eine pumpte Wasser aus einer Zeche bei Tipton, eine andere blies Luft für John Wilkinsons Eisenhütte in Broseley. Ab 1777 wurden viele an die Kupfer- und Zinnbergwerke in Cornwall verkauft, wo Kohle teuer war und Brennstoffsparen am meisten zählte. Maschinen mit Watts Kondensator verbrannten etwa zwei Drittel weniger Kohle als die von Newcomen. Dann entwickelte Watt Wege, die Auf-und-ab-Bewegung des Balkens in eine Drehung umzuwandeln, sodass die Dampfmaschinen auch Maschinen in Fabriken, Brauereien und Eisenwerken antreiben konnten, nicht nur Pumpen. Watts Patent galt bis 1800, und als es auslief, beeilten sich andere Hersteller, den getrennten Kondensator zu nutzen. Heute ist die Einheit der Leistung, das Watt, nach ihm benannt.