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250 Jahre Patent für James Watt

Detail aus Patentschrift GB178201321 für James Watt, 1784

Detail aus Patentschrift GB178201321 für James Watt, 1784

Der Dampf der Weltveränderung

Nein, James Watt hat die Dampfmaschine nicht erfunden. Aber er hat daraus eine Maschine gemacht, die tatsächlich die Welt veränderte. Vor 250 Jahren, am 5. Januar 1769 erhielt der Schotte das Patent auf seine „Methode zur Verringerung des Verbrauchs von Dampf und Brennstoff in Feuermaschinen“ ( pdf-Datei GB176900913A). Mit Watts weiterentwickelter Dampfmaschine begann die Industrialisierung der Welt.

Bereits um die Wende vom 17. zum 18. Jahrhundert konzipierten Denis Papin und Thomas Savery dampfbetriebene Pumpen, mit denen Bergwerke vom Wasser befreit werden sollten. Ihre Maschinen kamen aber über das Versuchsstadium nicht hinaus. 1712 gelang dann Thomas Newcomen die Konstruktion der ersten praxistauglichen Dampfmaschine.

In diesen ersten Dampfmaschinen wurde ein Kolben in einem Zylinder von einem Dampfstrahl gedrückt und vom einem Pumpengestänge nach oben gezogen. Der Dampf erwärmte die Luft im Zylinder und ließ sie expandieren. Danach wurde kaltes Wasser eingespritzt, um die Luft im Zylinder wieder zu kühlen. Ein Teilvakuum entstand, das den Kolben wieder etwas herunterzog; vor allem aber wirkte der Luftdruck von oben (daher spricht man von einer „atmosphärischen“ Dampfmaschine). Dann konnte wieder Dampf zugeführt werden und der Zyklus begann von neuem. Derselbe Zylinder musste also für jeden Kolbenhub erwärmt und wieder abgekühlt werden. Das Problem dieser Maschinen: ein geringer Wirkungsgrad und ein enormer Brennstoffverbrauch.

Den Wirkungsgrad vervielfachen

Porträt von James Watt

Porträt von James Watt (von John Partridge nach einem Gemälde von William Beechey)

Dampfmaschinen nach Newcomenscher Bauart waren in Großbritannien ein halbes Jahrhundert praktisch unverändert im Einsatz, da niemand eine Idee hatte, wir ihr Wirkungsgrad verbessert werden konnte. Bis der talentierte Mechaniker James Watt (geboren 1736), der an der Universität von Glasgow eine Werkstatt für Instrumentenbau betrieb, von einem Professor den Auftrag erhielt, eine kaputte Dampfmaschine zu reparieren.

Watt reparierte nicht, er durchdachte die komplette Konstruktion neu. Dann gelang ihm die entscheidende Verbesserung: „Die Idee kam mir in den Sinn, dass Dampf, da es sich um ein Gas handelte, in ein Vakuum strömen würde, und wenn ich den Zylinder des Motors mit einem Behälter bei niedrigem Druck verbinden würde, würde der Dampf in ihn hineinströmen. Der Dampf würde dort kondensieren und den Motorzylinder nicht kühlen.“

Der Kondensator ist die Lösung

Zeichnung aus Patentschrift GB178201321A

Zeichnung aus Patentschrift GB178201321A

Dann stellte sich noch die Frage: Wohin mit kondensierten Dampf aus dem Zylinder? Watt ergänzte die Dampfmaschine um den Kondensator, der von kaltem Wasser umgeben war und in dem sich der Dampf wieder verflüssigen konnte. Er verlagerte also den Abkühlvorgang aus dem Zylinder heraus, der somit warm blieb. So konnte Watt auf das atmosphärische Rückführen des Kolbens verzichten und die Maschine bei beiden Kolbenhüben Arbeit verrichten lassen.

Der Prozess wurde durch eine an den Kondensator angeschlossene Vakuumpumpe unterstützt, die das heiße Wasser des Kondensationsdampfes aufnahm und es noch heißer zurück zum Kessel förderte, der es dann wieder in Dampf umgewandelt konnte. Außerdem hielt Watt den Kolben mit einem heißen Dampfmantel warm.

Für diese Verbesserungen erhielt James Watt am 5. Januar 1769 eines der einflussreichsten Patente aller Zeiten. Seine Dampfmaschine machte die Menschheit erstmals wirklich unabhängig von Muskel-, Wasser- oder Windkraft. Um ihre Kraft zu bestimmen, führte Watt die Einheit "Pferdestärke" ein; später benannte man die Einheit für Leistung nach ihm.

Immer weitere Verbesserungen

Unterschrift von Jammes Watt

Watt verbesserte die Dampfmaschine im Laufe der Jahre kontinuierlich weiter, entwickelte Fliehkraftregler, den doppelt wirkenden Zylinder und den nach ihm benannten Mechanismus mit dem Watt-Gestänge und dem Watt-Parallelogramm, das eine gleichmäßige Drehbewegung ermöglichte (siehe u.a. pdf-Datei GB178201321A (1,8 MB), pdf-Datei GB178401432A (1,28 MB)). Letzteres hielt er für seine bedeutendste Erfindung.

Nicht zuletzt dank dieser Kurbelwelle konnte man mit der Wattschen Niederdruckdampfmaschine viel mehr anstellen als nur abgesoffene Bergwerke abpumpen. Mit dieser universellen Antriebsmaschine konnte man Fabrik betreiben – etwa die bald aus dem Boden schießenden Spinnereien – und die Massenproduktion aufnehmen.

Vater der industriellen Revolution

Zeichnung aus Patentschrift GB178401432A

Zeichnung aus Patentschrift GB178401432A

Watt gelang etwas, das Generationen von Legionen von Ingenieuren, die an Verbrennungsmotoren arbeiten, bis heute nicht geschafft haben: er senkte den Brennstoffverbrauch seiner Maschinen gegenüber den Vorgängermodellen um bis zu 80 Prozent.

Daher entwickelten Watt und sein Geschäftspartner Matthew Boulton ein selbstbewußtes Leasing-Modell: Sie verliehen ihre (durch verlängerte und neue Patente gut geschützten) Dampfmaschinen und verlangten als Bezahlung ein Drittel von der Ersparnis an Brennstoff gegenüber einer herkömmlichen Dampfmaschine mit vergleichbarer Leistung. Mit Erfolg: Watt starb 1819 als reicher Mann.

James Watt wurde durch seine Verbesserung der Dampfmaschine zum Vater der industriellen Revolution, die die Weltgeschichte in neue Bahnen lenkte. Vielleicht befinden wir uns heute in einer ähnlich tiefgreifenden Umwälzungsphase: die Digitalisierung, eine Spätfolge der Industrialisierung, verändert jetzt die Welt ebenfalls von Grund auf.

Bilder: Patentschriften/DEPATISnet, Public domain, via Wikimedia Commons, via Wikimedia Commons

Stand: 20.03.2019 

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