Eine kurze Geschichte der Dampfmaschine

20. Februar 2019

Die industrielle Revolution kochte auch nur mit Wasser – genauer gesagt mit Wasser­dampf, der die Kolben der Maschinen, Pumpen und Loko­motiven antrieb. Doch die neuen technologischen Möglichkeiten bargen auch unbekannte Gefahren. Wie die Dampf­kraft entdeckt wurde, welche Risiken sie mit sich brachte und wie die Dampf­kessel­über­wachungs­vereine Menschen vor der Technik schützten, das erzählen wir in unserer kurzen Geschichte der Dampf­maschine.

Am Anfang war bekannter­maßen das Feuer. Mit ihm konnten unsere Urahnen wilde Tiere vertreiben, aus Ton Gefäße brennen, unverdauliche Wurzeln in nahrhafte Speisen und lebens­feindliche Orte in ein Zuhause verwandeln. Seit­dem entwickelt die Menschheit ständig neue Ideen, um sich die Elemente nutzbar zu machen: Mit Wind­kraft mahlte man Korn zu Mehl und segelte über die Ozeane zu unbekannten Ufern. Wasserkraft ließ sich nutzen, um zu schleifen oder Holz zu zersägen. Doch Wind weht nicht überall, bei Flaute stehen Schiffe und Windräder still. Und die verlässlichere Wasser­kraft lässt sich nicht immer dort erzeugen, wo man sie gebrauchen kann, um Wasser­räder, Pumpen oder Sägen anzutreiben. Erst die Erfindung der Dampf­maschine versprach Antriebs­energie an jedem Ort der Erde – und eine Leistungsfähigkeit, mit der selbst Arbeitspferde nicht mithalten konnten. Als ihr Vater wird oft James Watt gefeiert. Doch der schottische Erfinder war beileibe nicht der Erste, der sich mit der Technik aus­einander­setzte.

Dass Wasserdampf einen Topf­deckel klappern und abheben lässt, dieses Phänomen beschäftigt schon im Altertum einen Gelehrten – namentlich Heron von Alexandria im ersten Jahr­hundert unserer Zeit­rechnung. In seinem Traktat „Pneumatika“ beschreibt der griechische Ingenieur und Mathe­matiker Apparate, mit denen sich Wärme­energie in Bewegungs­energie umwandeln lässt: Der untere Teil seines Versuchs­auf­baus besteht aus einem dichten Wasser­kessel, der mit einer offenen Flamme beheizt wird. Darüber befindet sich eine drehbar gelagerte Hohl­kugel, die über zwei Halterungen mit dem Kessel verbunden ist und über zwei diametral aus­gerichtete Aus­tritts­düsen verfügt. Bringt man das Wasser im Kessel zum Kochen, strömt der Dampf durch eine der Halterungen in die Kugel und verlässt sie durch die beiden Düsen. Dabei entsteht ein Rück­stoß, der die Kugel in Drehung versetzt. Herons sogenannte Aeolipile gilt als die erste bekannte und dokumentierte Wärme­kraft­maschine der Geschichte. Und sie bleibt für viele Jahr­hunderte die einzige ihrer Art: 1.500 Jahre soll es dauern, bis man die Kraft des Wasser­dampfs wieder­entdeckt.

Im Jahr 1690 präsentiert der Franzose Denis Papin den ersten Proto­typ einer Dampf­maschine, die mittels Kolben und Zylinder funktioniert. 1698 legt der britische Ingenieur Thomas Savery mit einer dampf­betriebenen Vorrichtung nach, die dabei helfen soll, das Grund­wasser in Berg­werken abzupumpen. Der praktische Einsatz ist zwar noch nicht allzu rentabel, das Prinzip aber bereits aus­geklügelt. 1712 perfektioniert der Konstrukteur Thomas Newcomen das Verfahren und entwickelt die atmos­phärische Dampf­maschine. Sie arbeitet sehr viel effizienter als die Maschine Saverys, verbraucht jedoch noch viel Energie, weil Kolben und Zylinder bei jedem Arbeits­takt erhitzt und wieder abgekühlt werden müssen. Ein Problem, das James Watt mit seiner 1769 patentierten doppelt wirkenden Dampf­maschine in Luft auflöst. „Doppelt wirkend“ ist sie, weil der Zylinder abwechselnd und beid­seitig mit Dampf befüllt wird. Dadurch erreicht die Maschine einen Wirkungs­grad von fast drei Prozent. Das klingt erst einmal wenig, ist aller­dings rund sechs­mal mehr, als die Dampf­maschine von Thomas Newcomen zu leisten imstande ist. Und weil eine neue Technologie eine Maß­einheit braucht, unter der sich jeder etwas vor­stellen kann, setzt James Watt die Leistung eines Pferdes in ein mathematisches Verhältnis zur geleisteten Arbeit und entwickelt so die Pferde­stärke – kurz PS.

Die Entwicklung der Dampf­maschine bringt Forscher und Ingenieure auf immer neue Ideen zur Anwendung des revolutionären Apparates. Sie hält Einzug in Webereien und Spinnereien, setzt die Produktion von Kohle, Eisen und Stahl unter industriellen Voll­dampf und schafft schließlich zu Wasser und zu Lande neue Möglich­keiten, um Menschen oder Waren von A nach B zu befördern: 1807 läutet Robert Fulton auf dem Hudson River die Ära der Dampf­schiff­fahrt ein, 1825 wird in England die erste öffentliche Eisen­bahn­linie eröffnet. Auch in den deutschen Klein­staaten nimmt die Industrialisierung rasant an Fahrt auf: Während im Jahr 1849 im Rheinland und in Westfalen gerade 651 Dampf­maschinen mit einer Leistung von insgesamt 18.775 PS betrieben werden, steigt die Zahl in den nächsten 25 Jahren bereits auf 11.706, deren Leistung bei 379.091 PS liegt. Doch die explosive Verbreitung der neuen Technologie birgt zugleich eine enorme Spreng­kraft – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes.

Am 27. Januar 1855 kommt es in Hannover zur Katastrophe. In der Will’merschen Wagen­fabrik explodiert ein Dampf­kessel, sieben Arbeiter sind sofort tot, viele schwer verletzt. Verheerende Unfälle wie dieser sind keine Selten­heit. In den Jahren 1877 bis 1890 gibt es laut frühen Statistiken allein im deutschen Kaiser­reich mehr als 200 Dampf­kessel­explosionen mit fast 200 Toten und über 100 Schwer­verletzten. Neben mangel­hafter Wartung, Konstruktions­fehlern und zu hohem Dampf­druck zählt Über­hitzung durch Wasser­mangel zu den häufigsten Ursachen für die schweren Unglücks­fälle. Denn wird die Kessel­wand zu heiß, können sich Risse bilden, das Wasser im Kessel verdampft schlag­artig, und die plötzliche Druck­entlastung führt zu gewaltigen Explosionen. Eine Gefahr, die durch die Fest­installation der Anlagen in den Fabriken zu besonders fatalen Unfällen führt. Um die Kraft der Maschinen auf möglichst viele Arbeits­plätze zu über­tragen, benutzt man zu dieser Zeit nämlich Getriebe mit Treibriemen, die nicht zu lang werden dürfen. Dampf- und Wärme­verluste sollen durch kurze Dampf­leitungen minimiert werden. Deshalb werden die Dampf­kessel und Maschinen dicht an den Arbeits­plätzen installiert – mitten unter den arbeitenden Menschen.

Alarmiert von der zunehmenden Zahl der Dampf­kessel­explosionen wollen einige Staaten in Europa gegen­steuern. Preußen ordnet ab 1856 behördliche Kontrollen an, was aber eher schlecht als recht funktioniert. Sind zunächst die örtlichen Polizei­behörden für die Dampf­kessel­über­wachung zuständig, wird diese Aufgabe später von beamteten Bau­inspektoren oder Kreis­bau­meistern über­nommen. Doch wie den Polizisten fehlt auch ihnen meist die nötige Erfahrung und Fachkenntnis im Umgang mit den Anlagen.

Fachleute müssen also her, um die Sicherheit der Dampf­kessel zu über­prüfen – davon sind Hamburger Dampf­kessel­betreiber und Reeder über­zeugt. Am 15. Juni 1869 gründen sie deshalb den „Nord­deutschen Verein zur Ueberwachung von Dampf­kesseln in Hamburg“. Er ist der zweite Dampf­kessel­überwachungs­verein (DÜV) Deutschlands und wie der 1866 in Mannheim gegründete Verein nimmt er sich ein englisches Modell zum Vorbild, das einige dortige Unter­nehmen schon 1855 aus der Taufe gehoben hatten: die „Manchester Steam Users Association“, den ersten technischen Über­wachungs­verein der Welt. Der Hamburger Verein prüft als Selbst­verwaltungs­organ der Wirtschaft die Dampf­kessel der Mitglieder und schafft es die Zahl der Kessel­unfälle auf ein zehn­mal niedrigeres Niveau zu senken, als jenes, das Preußens staatliche Kontrolleure erreichen konnten.

Auch die privat­wirtschaftlichen Dampf­kessel­über­wacher in Deutschland erzielen schon in kurzer Zeit beachtliche Erfolge. Der Magdeburger DÜV-Ingenieur Rudolf Weinlig kann zwischen 1871 und 1873 in seinem Prüfbezirk die Zahl der äußeren Kessel­schäden von 60 auf 20 Prozent und die bis dahin kaum beachteten Gefahren im Inneren der Kessel von 30 auf 16 Prozent reduzieren.

Als technischer Leiter des größten DÜV Preußens erhält Weinlig 1884 einen persönlichen Termin beim preußischen Minister­präsidenten Otto von Bismarck. Er über­zeugt den „Eisernen Kanzler“, dass es eine gute Idee sei, wenn die DÜV Dampf­kessel nicht nur prüfen, sondern auch genehmigen und nach ihrer Inbetrieb­nahme offiziell abnehmen. Außerdem erkennt der Staat die von den Vereinen geschaffenen „Grundsätze für die Prüfung der Materialien zum Bau von Dampf­kesseln“ (Würzburger Normen) und die „Vorschläge für die Berechnung der Blech­stärken neuer Dampf­kessel“ (Hamburger Normen) faktisch als offizielle Regeln an.

Doch die besten technischen Sicherheits­maß­nahmen helfen wenig gegen den Risiko­faktor Mensch. Tatsächlich sind viele Unfälle die Folge unsach­gemäßer Bedienung. Und das ist kein Wunder: Viele Dampf­kessel­heizer sind unqualifizierte und schlecht bezahlte Arbeiter, die gar nicht wissen, wie die Kessel funktionieren, in die sie täglich Kohlen hinein­schippen. Oft blockieren sie aus Unkenntnis sogar selbst Sicherheits­ventile, verstopfen die Warn­pfeifen oder füllen zu wenig oder zu selten Wasser auf.

Das Gegen­mittel der DÜV heißt Weiterbildung. Bereits 1874 engagiert der Magdeburger DÜV einen Lehr­heizer, der die Dampf­kessel­heizer theoretisch und praktisch schulen soll. Bei den Fabrik­betreibern stoßen diese Angebote jedoch anfänglich auf taube Ohren. Heizer in Ausbildung fehlen in der Fabrik, kosten zusätzlich Geld und bringen wenig – so die zunächst etwas kurz­sichtige Rechnung vieler Unternehmer.

Erst ein Heizer­wettbewerb bringt 1885 die Wende: Die in Lehr­gängen geschulten Heizer kennen sich nicht nur besser mit den Sicher­heits­anforderungen aus, sie benötigen zur Dampf­erzeugung auch nur halb so viel Kohle wie ihre ungeschulten Kollegen. Dieses Einspar­potenzial leuchtet vielen Fabrik­besitzern sofort ein. Heizer­kurse werden darauf­hin stark nachgefragt – nicht nur in Magdeburg, sondern auch in Hannover, wo der Lehrheizer des DÜV bis dahin ebenfalls nur ein Schatten­dasein geführt hat.

Eine Entwicklung, von der auch die Heizer selbst profitieren. Aus ungelernten und schlecht bezahlten Hilfs­kräften werden gefragte Fach­arbeiter, die deutlich höhere Löhne erzielen können. Die Dampf­kessel­sach­verständigen der DÜV entwickeln sich ihrerseits zu Experten für die Sicherheit neuer und leistungs­fähigerer Technologien – von der Elektrizität bis zum Verbrennungs­motor –, die das Dampf­zeit­alter bald beenden sollen. So nehmen sie bereits die Sicherheit der ersten Automobile unter die Lupe, die mit ein paar PS über die Straßen rollen. Ein nahe­liegendes Einsatz­feld: Schließlich werden die ersten Kraftwagen noch von Dampf­maschinen angetrieben. An diese oft vergessenen Anfänge erinnert heute noch der Beruf des „Chauffeurs“ – das französische Wort für „Heizer“.