Dampfmaschine: Erfinder, Funktion & Bedeutung für die Industrielle Revolution

Mechanisch angetriebene Schiffe und Züge sind in der heutigen Zeit nichts Besonderes. Diese Technik wurde erst durch die Erfindungen der industriellen Revolution möglich: Durch den Antrieb der Dampfmaschine.

Sie schuf die Grundvoraussetzungen für das Leben, wie wir es heute kennen. Sie vereinfachte nicht nur den Transport, sondern revolutionierte auch die Produktion von Waren. Die Dampfmaschine ermöglichte erst den Bau riesiger Fabriken.

Definition: Was ist eine Dampfmaschine?

Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine. Es handelt sich um einen Apparat, der durch die Wärmeenergie Wasser verdampfen lässt und den Wasserdampf in Bewegungsenergie umwandeln kann. Anfang des 18. Jahrhunderts wurde die erste funktionstüchtige Dampfmaschine von Thomas Newcomen angewendet.

Die Dampfmaschine stellte sich als besonders bedeutend für die Industrielle Revolution heraus. Sie wurde anfangs in der Textilindustrie und später dank Verbesserungen auch zum Betrieb von Dampflokomotiven und -Schiffen eingesetzt.

Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

Eine Dampfmaschine besteht aus vier grundlegenden Teilen, die mechanisch miteinander verbunden sind:

• geschlossener Wasserkessel
• Zylinder mit innenliegendem Kolben
• Schieber
• Schwungrad.

Das Wasser im geschlossenen Kessel wird – meist durch Feuer – erhitzt und zum Sieden gebracht. Wenn Wasser kocht, verdampft es zu Wasserdampf, der einen gewissen Druck ausübt. Dieser sogenannte Dampfdruck gelangt über Ventile und Leitungen in den Zylinder.

Ein Schieber regelt, auf welche Seite des Zylinders der Druck ausgeübt wird. Der Dampf strömt entweder über oder unter den Kolben ein. Auf der jeweils anderen Seite strömt der Wasserdampf aus.

Dadurch bewegt sich der Kolben abwechselnd auf und ab. Sobald er am Ende des Zylinders angekommen ist, wechselt der Schieber seine Position und der Dampf wird auf der anderen Seite zugeführt. Der Kolben, der sich dadurch hin und her bewegt, ist mit einem Schwungrad verbunden, an dem die Bewegungsenergie nutzbar wird.

Geschichte: Wann wurde die Dampfmaschine entwickelt?

Bereits in der Antike experimentierte der griechische Mathematiker Heron von Alexandria mit der Energie von Wasserdampf. Er ließ den Dampf aus einem geschlossenen Zylinder an eine drehbar gelagerte Kugel strömen. Diese war mit zwei Öffnungen versehen, aus der der Dampf entweichen konnte. Durch den Rückstoß wurde die Kugel zur Drehung angeregt. Man könnte den Äonsball als die erste dampfgetriebene Maschine bezeichnen.

Wer erfand die Dampfmaschine?

In den immer tiefer reichenden Stollen des Bergbaus waren die Arbeiter bis ins 18. Jahrhundert darauf angewiesen, das einströmende Wasser manuell abzupumpen. Thomas Newcomen, ein englischer Schmied und Erfinder, beschäftigte sich mit dieser Problemstellung. Er entwickelte 1712 eine Maschine, die Wasser aus Bergwerken pumpen konnte.

Es war die erste sogenannte atmosphärische Dampfmaschine. Durch Zuführen von Wasser in einen mit Wasserdampf gefüllten Zylinder entsteht ein Unterdruck gegenüber der umliegenden Luft. Der Kolben wird nach unten gedrückt, aber durch das Gewicht der Pumpenstange sofort wieder nach oben gezogen. Durch die sich auf und ab bewegende Pumpenstange konnte das Wasser effizient aus dem Stollen gepumpt werden.

Patent der Dampfmaschine durch James Watt

Erst später, 1769, kommt der allseits bekannte James Watt ins Spiel, der oft für den Erfinder der Dampfmaschine gehalten wird. Er hat sie zwar nicht erfunden, konnte sie aber deutlich verbessern. Er stellte fest, dass der Wasserdampf im Zylinder kondensierte, wodurch viel Energie verloren ging. Durch die Verknüpfung früherer Erfindungen und Erkenntnisse schaffte er es, die Leistungsfähigkeit der Maschine deutlich zu erhöhen. Die Leistung seiner Dampfmaschine gab James Watt von da an in „Pferdestärken” (PS) an.

Durch Optimierungen im Funktionsablauf kühlte der Wasserdampf im Zylinder nicht mehr ab und musste nicht immer neu erhitzt werden. Watt entwickelte ein System, bei dem die Kraft des Wasserdampfes abwechselnd auf beiden Seiten des Kolbens wirken konnte. Darüber und darunter wirkt dann der gleiche Dampfdruck. Es war dann nicht mehr nötig, den Kolben durch ein Gewicht in seine Ausgangsposition zu bringen. Wir sprechen jetzt von einer Niederdruckdampfmaschine.

Der Schritt von einer dampfgetriebenen Pumpe für den Bergbau hin zu einer industriell nutzbaren Dampfmaschine war hiermit getan. James Watt schaffte es, durch die abwechselnde Zufuhr des Wasserdampfes an beiden Seiten des Kolbens eine gleichmäßige Drehung des Schwungrades zu erreichen. Zusätzlich sorgte ein Fliehkraftregler für eine konstante Drehzahl. Er regulierte die Dampfzufuhr je nach Belastung.

Diese Weiterentwicklung trug im 18. und 19. Jahrhundert erheblich zu erhöhten Produktionszahlen in den Fabriken und somit zur industriellen Revolution bei.

Industrielle Revolution: Beginn der Fabrikindustrie durch die Dampfmaschine

Zuerst wurde die Dampfmaschine in England hergestellt und verwendet. Bald begannen der Rest Europas und die USA die Vorteile zu erkennen und sich zu Nutze zu machen.

Bis zur Entwicklung der Dampfmaschine gab es nur kleinere Handwerksbetriebe, die beispielsweise Teppiche oder Porzellan herstellten. Während der industriellen Revolution wurde es möglich, überall große Fabriken zu bauen, weil man durch die neue Erfindung nicht mehr auf Flüsse angewiesen war, welche die Wasserräder der Maschinen antrieben.

Seit Beginn der industriellen Revolution wurde die Entwicklung von Wissenschaften und Technik stark beschleunigt. Das führte zusätzlich zu einem starken Bevölkerungswachstum und gleichzeitig zum Anstieg der Armut. Die Menschen zogen in die Städte, wo sie sich Arbeit erhofften. Dort war jedoch der Wohnraum begrenzt und soziale Spannungen entwickelten sich.

Die Dampfmaschine: Verwendung in der Industrie

Von da an trieb die Dampfmaschine Spinnmaschinen und Webstühle an, die schnell und effektiv Textilwaren herstellten, welche in ganz Europa gefragt waren. Sie wurde weiterentwickelt und war schließlich für Lokomotiven und Schiffe nutzbar. So wurde nicht nur die Produktion beschleunigt, sondern auch der Gütertransport. Ab 1826 waren Dampfomnibusse auf den Straßen unterwegs.

Außerdem wurde für das Betreiben der Dampfmaschine Kohle gebraucht, für den Bau von Eisenbahnstrecken und Dampfschiffen Eisen und Stahl. Das kurbelte die Wirtschaft an und schuf neue Arbeitsplätze. Denn um beispielsweise neue Eisenbahnschienen zu verlegen, brauchte man viele Arbeiter.

Vorteile und Nachteile der Dampfmaschine

Das Leben der Menschen wurde durch die Dampfmaschine in wenigen Jahrzehnten vollständig verändert: Es konnte effizienter und schneller produziert werden und der Transport wurde vereinfacht. Segelschiffe konnten sich nicht gegen die maschinenbetriebenen Dampfschiffe durchsetzen und Postkutschen erübrigten sich völlig, da Eisenbahnen die Post transportierten.

Aber die Dampfmaschinen hatten auch Nachteile, weshalb sie heutzutage kaum noch verwendet werden. Sie verbrauchten beispielsweise viel Kohle, waren unhandlich und sehr groß. Außerdem erzeugten sie einen unangenehmen Geruch. Aus heutiger Sicht betrachtet war die Dampfmaschine wenig umweltfreundlich, da sie vor allem mit fossilen Brennstoffen wie Kohle angeheizt wurde. Auch die Effizienz der Energiegewinnung aus Wärme war vergleichsweise gering.

Seit etwa 1900 wurden aus diesen Gründen Verbrennungs- bzw. Elektromotoren statt der Dampfmaschinen verwendet. Diese konnten ohne Vorlaufzeit zum Aufwärmen starten und hatten bei einem geringeren Gewicht eine höhere Leistung.

Die Anschaffungskosten einer Dampfmaschine waren immens. Für kleine Unternehmen war es meist nicht möglich, ein Modell anzuschaffen. Die Arbeitssicherheit war ebenso gefährdet. Erstens war die Brandgefahr durch den Einsatz von Feuer erhöht, zweitens entstand durch die starke Erhitzung ein hoher Druck im Wasserkessel, was nicht selten zu Verletzungen führte.