1769: James Watt erhält das Patent Nr. 913

Der Weg von der Idee, einen getrennten Kondensator zu verwenden, bis hin zu einer funktionierenden Maschine war lang und mühselig. Es gelang Watt, Doctor John Roebuck (1718-1794) für seine Ideen einzunehmen. Roebuck war Arzt, war aber als Unternehmer tätig und hatte u.a. ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure gefunden. Gegen die Zusicherung eines Anteils von 2/3 an den zu erwartenden Gewinnen löste er 1768 die Schulden Watt’s ab und finanzierte auch das erste Patent. Dieses wurde wurde am 5. Januar 1769 für 14 Jahre erteilt, es galt nicht für Schottland ^{1 2}.

Unter der Überschrift

Watt’s Method of Lessening the Consumption of Steam & Fuel in Fire Engines

werden 6 Punkte beschrieben. In meiner Zusammenfassung bzw. freien Übersetzung:

1. Der Zylinder muß beim Betrieb der Maschine immer so heiß wie möglich sein. Wörtlich heißt es: »… so heiß wie der eintretende Dampf …«. Dies soll durch Isolation z.B. mit Holz oder durch einen Mantel z.B. aus Dampf erreicht werden. Der Zylinder soll mit nichts in Kontakt kommen, was kälter als der Dampf ist.

2. Bei Maschinen, die ganz oder zum Teil mittels Kondensation des Dampfes betrieben werden, muß die Kondensation in Gefäßen, welche vom Zylinder getrennt sind, erfolgen. »Diese Gefäße nenne ich Kondensatoren«. Ein Kondensator steht zeitweilig mit dem Zylinder in Verbindung und sollte so kalt als irgendmöglich gehalten werden, z.B. durch Kühlung mit Wasser.

3. Luft oder Kondenswasser müssen mit Hilfe von Pumpen aus Zylinder und Kondensator entfernt werden. Diese können durch die Maschine selbst angetrieben werden.

4. Wann immer möglich, soll die expansive Kraft des Dampfes genutzt werden, um den Kolben zu bewegen. Falls nicht genug kaltes Wasser zur Verfügung steht, können die Maschinen auch nur dadurch betrieben werden. Der Dampf wird nach getaner Arbeit in die Atmosphäre entlassen.

5. Den fünften Punkt des Patentes gebe ich in meiner Übersetzung wieder: »Wo Bewegungen um eine Achse verlangt werden, stelle ich die Dampfgefäße in Form von hohlen Ringen oder kreisförmigen Kanälen her, mit besonderen Ein- und Auslässen für den Dampf, und montiere dieselben auf horizontalen Achsen, wie die Räder der Wassermühlen. In denselben ist eine Anzahl von Ventilen angebracht, welche einem Körper nur in einer Richtung durch den Kanal umzulaufen gestatten. In diesen Dampfgefäßen sind Gewichte angebracht, welche die Kanäle zum Teil ausfüllen und durch die noch anzugebenden Mittel in denselben bewegt werden. Wenn der Dampf in diese Maschinen zwischen jene Gewichte und die Ventile eingelassen wird, so drückt er gegen beide gleichmäßig, so zwar, daß er das Gewicht nach der einen Seite des Rades hebt und infolge der gegen die Ventile wirkenden Reaktion das Rad in Drehung versetzt, wobei die Ventile sich in derjenigen Richtung öffnen, in welcher die Gewichte Druck empfangen, aber nicht in der entgegengesetzten. Während das Dampfgefäß sich dreht, wird es mit Dampf vom Kessel aus gespeist, und derjenige Dampf, welcher seine Arbeit geleistet hat, kann entweder durch Kondensation niedergeschlagen oder in die freie Luft entlassen werden.«

6. Auch den sechsten Punkt gebe ich zur Gänze wieder: »Ich beabsichtige in einigen Fällen einen gewissen Grad von Kälte anzuwenden, welcher den Dampf allerdings nicht in Wasser verwandeln, ihn wohl aber beträchtlich zu verdichten vermag, so daß die Maschinen abwechselnd mit Expansion und Kontraktion des Dampfes arbeiten.«

7. Bei den Newcomen-Maschinen war die Dichtung von Kolben zu Zylinderwand gängige Praxis. Watt schreibt nun davon abweichend, dass er statt dessen Öl, Wachs, Harz, Tierfett, Quecksilber und andere Metalle im flüssigen Zustand zu verwenden gedenkt.

Watt hatte eine Zeichnung für den Patentantrag erstellt. Jedoch riet man ihm ab, diese hinzuzufügen. Dickinson veröffentlichte sie 1927 mit folgender Beschreibung ^{3 4}:

Both Small and Boulton advised Watt not to file any drawings in spite of the fact that he had prepared one. Fortunately this has been preserved and is reproduced here. A beam engine is shown with a cylinder of length equal to three diameters and having the upper surface of the piston in communication with the under surface and with the boiler by a pipe. The passage of steam, however, is under the control of a hand-operated regulator in the form of a sector with two ports in it which place the underside of the piston alternately in communication with the upper side and with the condenser. The latter is nothing more than a pipe with another concentric to it outside. The air-pump is a simple bucket worked from a horse-head on the beam. Both condenser and air-pump are in a cistern of cold water. As represented, there is no means for operating the regulator automatically. On the drawing is shown also Watt’s steam wheel or rotary engine. This consists of an annulus with three flaps hinged on the inner surface, so that they can turn through a right angle and form an abutment for the steam introduced and exhausted at the side by regulators. The passages communicate with the boiler and condenser respectively through the hollow axis. The other abutment for the steam is formed of mercury or Newton’s metal, whose weight keeps it at the lowest point while the wheel revolves under the steam pressure. No means for operating the regulators is shown.

Obwohl Watt eine Zeichnung vorbereitet hatte, rieten Small und Boulton ihm davon ab, diese beizufügen. Glücklicherweise ist die Zeichnung erhalten und wird hier wiedergegeben. Es wird eine Balanciermaschine mit einem Zylinder gezeigt (Länge entspricht dem 3fachen Durchmesser). Ein Rohr verbindet Kolbenober- bzw. -unterseite mit dem Kessel. Mit einem handbetätigten Schieber erfolgt die Dampfzufuhr. Der Schieber hat die Form eines Kreissektors mit zwei Ausschnitten derart, dass die Kolbenunterseite abwechselnd mit der Oberseite und dem Kondensator in Verbindung stehen. Die Luftpumpe ist eine einfache Kolbenpumpe, die durch einen Pferdekopf vom Balancier bewegt wird. Sowohl Kondensator als auch die Luftpumpe befinden sich in einer Zisterne mit kaltem Wasser. Es ist keine Möglichkeit gezeigt, den Dampfschieber automatisch zu bewegen. In der Zeichnung ist auch Watt’s Dampfrad oder Rotationsmaschine dargestellt. Es besteht aus einer Ringkammer mit drei Klappen, die an der inneren Wandfläche derart angelenkt sind, dass sie um 90° umschlagend eine Stützkonsole für den Dampf bilden, der seitlich mit Hilfe einer Regelvorrichtung ein- und ausgeleitet wird. Die Durchlässe stehen in Verbindung mit dem Kessel bzw. dem Kondensator mittels einer Hohlwelle. Die andere Stützwand für den Dampf wird von Quecksilber oder Newton-Metall gebildet, dessen Gewicht sie an der untersten Position der Ringkammer hält, während das Rad unter dem Dampfdruck rotiert. Es wird keine Vorrichtung zur Steuerung der Regler gezeigt.

Es gibt mehrere Unklarheiten in dieser Zeichnung, wobei sich heute nicht mehr sicher sagen läßt, was davon eventuelle Nachahmer abhalten sollte oder was einfach noch nicht konstruktiv durchgebildet war. Auch andere frühe Zeichnungen Watt’s geben Rätsel auf.

Aber auch für scheinbar klare Zeichnungselemente brauchte Watt viele Jahre, bevor gute Konstruktionen gefunden waren, die mit den Mitteln der Zeit auch herstellbar waren. Dazu zählen sicherlich der obere Zylinderdeckel mit der Kolbenstangendurchführung (Stopfbuchse) und die Kolbendichtung als solche.

1769: James Watt beginnt seine erste Maschine in Kinneil House

Nachdem Watt Partner von John Roebuck geworden war, kamen die beiden Ende 1768 überein, eine Versuchsmaschine zu errichten. Roebuck hatte ein Herrenhaus, das Kinneil House, am Rande der Ortschaft Bo’ness in Schottland gepachtet. Dort wurde 1769 eine Maschine begonnen ⁵. Es handelte sich um eine Pumpmaschine mit einem Balancier, die manuell gesteuert wurde. Da ab 1773 Roebuck’s Geschäfte nicht mehr gut liefen, traten zu den vielen technischen Problemen auch finanzielle hinzu. Watt mußte seinen Lebensunterhalt als Landvermesser verdienen und so kam es zu langen Unterbrechungen bei den Versuchen. 1773 wurden dann Teile der Maschine nach Birmingham gebracht, wo die Arbeiten im folgenden Jahr wieder aufgenommen wurden.

Es waren seit der Erfindung des separaten Kondensators neun Jahre vergangen. Diese lange Zeit muß für Watt äusserst belastend gewesen sein. 1773 war Watt’s Frau gestorben. Dickinson fasst zusammen:

of the whole period of nine years from the time of Watt’s invention of the separate condenser till his arrival in Birmingham we find that the time spent in active prosecution of the invention was really only a matter of three years in two periods 1765-6 and 1768-70, and even in these periods the work was not uninterrupted. The net result was that the engine underwent a radical change and assumed eventually the general form of the earlier beam engine, but did not attain complete success, even in that form.

In den ganzen neun Jahren von der Erfindung des separaten Kondensators bis zu seiner Ankunft in Birmingham gab es nur drei Jahre von 1765-6 und 1768-70, in denen Watt seine Erfindung weiterverfolgen konnte, wobei es allerdings auch in dieser Zeit Unterbrechungen gab. Letztlich wurde die Konstruktion radikal geändert und nahm die Gestalt der frühen Balanciermaschinen an, war aber kein wirklicher Erfolg.

1769: Richard Arkwright erfindet die Waterframe

Die Waterframe war die erste Spinnmaschine, die ohne menschliche Muskelkraft angetrieben wurde, siehe Bild @fig:1769-1. Schon zwei Jahre nach der Erfindung wurde in Cromford / England die erste industrielle Baumwollspinnerei der Welt errichtet ⁶. Die Waterframes wurden durch ein Wasserrad angetrieben. Transmissionen sorgten für die Kraftübertragung in die einzelnen Geschosse. Die Techniken, die hierzu entwickelt wurden, findet man (deutlich) später in den Werkstätten und Fabriken mit zentraler Betriebsdampfmaschine wieder.

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Durch Industriespionage, also ganz ähnlich wie bei der ersten deutschen Dampfmaschine, gelang es auch bei der Waterframe Kenntnisse und auch Maschinen nach Deutschland zu bringen. Die Initiative ging von einem Privatmann aus: Johann Gottfried Brügelmann (1750-1802) begann 1783 in Ratingen, fabrikmäßig Baumwolle zu verarbeiten. Brügelmann muß einen recht speziellen Humor gehabt haben: Er nannte seine Fabrik, die erste dieser Art Kontinentaleuropas: Cromford.

Da wesentliche Gebäude erhalten sind, findet sich dort heute ein Museum des Landschaftsverbands Rheinland (LVR), die Textilfabrik Cromford.

1769: Nicholas Cugnot stellt ein dampfbetriebenes Gefährt vor - ein Automobil

Der französische Artillerieoffizier und Erfinder Nicholas Joseph Cugnot (1725-1804) hatte den Auftrag bekommen, ein Transportmittel für die Artillerie zu entwickeln. 1769 stellte er ein dampfbetriebenes, imposantes Gefährt vor. Schnell zeigte es sich wohl, dass die Maschine bei dem hohen Gewicht des »Fardier« (franz. für Karren) nicht stark genug war und dass das Fahrzeug schlecht lenkbar war ⁷. Eine Ausfahrt endete an einer Mauer.

Das Gefährt ist erhalten, es befindet sich seit 1800 in einem Museum. Es gibt eine Replika, die gelegentlich mit Dampf vorgeführt wird ⁸. Danach steht zu vermuten, dass keine atmosphärische Maschine genutzt wurde, womit Cugnot rund 40 Jahre vor Trevithick also schon einen »Puffer« gebaut hätte. Leider waren keine weiteren technischen Details zu finden. Mir bleibt unklar, wie Cugnot es 1769 überhaupt geschafft hat, eine solche Maschine zu fertigen!

Dieses erste bezeugte Automobil der Welt - schließlich bewegte es sich aus eigener Kraft, wenn auch nur mit 3 oder 4 km in der Stunde - hatte keinen weiteren Einfluß auf die Entwicklung der Dampfmaschine. Cugnot war seiner Zeit zu weit voraus, die Technik war noch nicht reif. Immerhin setzte ihm König Ludwig XV. eine Pension aus, die allerdings 1789 im Zuge der französischen Revolution erlosch. Cugnot floh ins Exil, Napoleon Bonaparte sorgte für seine Rückkehr.

Stand: 23.11.2018

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