Industrie unter Dampf 04.05.2024, 10:30 Uhr

Von Newcomen bis Watt: Wie die Dampfmaschine die Welt veränderte

Kaum eine Erfindung hat die Industrie so beflügelt wie die Dampfmaschine. Sie revolutionierte Branchen wie die Weberei, die Spinnerei und die Produktion von Kohle, Eisen und Stahl. Ein weiterer Meilenstein war 1835 die Inbetriebnahme der ersten Eisenbahn. Eine echte Erfolgsgeschichte.

Dampfmaschine

Mit Dampf lassen sich sogar schwere Lokomotiven antreiben.

Foto: PantherMedia / viliam.mucha@gmail.com

Die Dampfmaschine spielte eine zentrale Rolle beim Start der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert. Ihre Erfindung durch Thomas Newcomen und spätere Verbesserungen durch James Watt und George Stephenson veränderten die Wirtschaft, Technologie und Gesellschaft nachhaltig. Die Dampfkraft revolutionierte viele Branchen, von der Textilfertigung bis zum Bergbau, und machte die Arbeit effizienter. Sie trieb Maschinen in Fabriken an und veränderte die Transportmittel wie Schiffe und Lokomotiven grundlegend. Diese technologischen Fortschritte ermöglichten es, Produkte schneller herzustellen, zu transportieren und zu handeln, was zu neuen Industriezweigen und verbesserten Arbeitsbedingungen führte.

Dieser Ratgeber führt Sie durch die faszinierende Geschichte der Dampfmaschine. Er beleuchtet ihre Ursprünge, die entscheidenden technischen Entwicklungen und stellt die Innovatoren der Zeit vor. Erfahren Sie mehr über:

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  • Die Anfänge und frühen Entwicklungen der Dampfmaschine
  • Die Beiträge von James Watt zur Verbesserung der Effizienz
  • Weiterentwicklungen und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten
  • Die globale Verbreitung und ihren Einfluss auf die industrielle Revolution
  • Den Niedergang der Dampfmaschine und ihr anhaltendes Erbe
  • Funktionsweise von Dampfmaschinen

Begleiten Sie uns auf eine Reise durch die Geschichte einer der bedeutendsten Erfindungen der Menschheit.

Die Geschichte der Dampfmaschine

Die Dampfmaschine leitete im 18. Jahrhundert die industrielle Revolution ein. Allerdings erkannten bereits Gelehrte in der Antike, dass von Dampf ein besondere Kraft ausgeht. Blicken wir also auf die Geschichte der Dampfmaschine.

Ursprünge in der Antike

Bereits in der Antike gab es erste Versuche mit Dampf. Der griechische Ingenieur Heron von Alexandria schuf die ersten Konzepte. Sein bemerkenswertestes Experiment war die Heronsche Kugel, ein dampfgetriebenes Gerät. Diese frühen Erfindungen waren zwar nicht praktisch anwendbar, legten aber wichtige Grundlagen für die Wissenschaft, insbesondere in den Bereichen Mechanik, Hydraulik und Pneumatik.

Versuche mit Dampf im Mittelalter

Auch im Mittelalter trieben Alchimisten und Erfinder die Idee der Dampfmaschine voran, entwickelten Prototypen und experimentierten mit Dampfmaschinenkonzepten. Diese blieben jedoch weitgehend theoretisch und fanden keine praktische Anwendung, da die Gesellschaft stark auf Sklavenarbeit setzte.

Durchbruch der Dampfmaschine

Erst zu Beginn des 18. Jahrhunderts gelang den Engländern Thomas Savery und Thomas Newcomen der Durchbruch. Savery erfand um 1698 eine Dampfpumpe, die Wasser aus Bergwerksschächten pumpte. Newcomen verbesserte 1712 Saverys Konstruktion und schuf die erste wirklich effiziente Dampfmaschine. Sie nutzte den Dampfdruck und den atmosphärischen Druck, um einen Kolben zu bewegen, der eine Pumpe antrieb. Diese Maschine wurde im Bergbau weit verbreitet und spielte eine entscheidende Rolle bei der Einleitung der industriellen Revolution in England.

Watt Dampfmaschine

Gravur einer Watt-Dampfmaschine aus dem Trousset-Lexikon 1886 bis 1891.

Foto: PantherMedia /
Morphart

James Watt als Erfinder der Dampfmaschine?

Obwohl er oft als Erfinder der Dampfmaschine bezeichnet wird, war James Watt “lediglich” derjenige, der ihre Effizienz entscheidend verbesserte. Der am 19. Januar 1736 im schottischen Greenock geborene Watt zeigte schon früh eine Begabung für Mathematik.

Obwohl er ursprünglich Medizin studieren wollte, verhinderten finanzielle Schwierigkeiten seiner Familie diesen Weg und er begann stattdessen eine Mechanikerlehre in London. Da er sich unterfordert fühlte, brach Watt die Ausbildung ab und fand 1757 eine Anstellung als Instrumentenmacher an der Universität Glasgow. Dort reparierte er nautische Instrumente wie Kompasse und Sextanten.

Watts Begegnung mit Newcomens Dampfmaschine

Die Freundschaft mit dem Erfinder und Ingenieur John Robinson weckte Watts Interesse an Dampfmaschinen. 1764 wurde er mit der Reparatur eines von Thomas Newcomen konstruierten Dampfmaschinenmodells beauftragt und erkannte sofort Verbesserungspotenzial. Angeregt durch die Vorarbeiten von Denis Papin fügte Watt einen Kondensator hinzu, um das ständige Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden.

Außerdem ummantelte er den Zylinder mit einem „Dampfmantel“, um den Wärmeverlust zu verringern. Im Jahr 1782 entwickelte er eine Maschine mit einem Kreisschubgetriebe, das lineare Bewegungen in Kreisbewegungen umwandelte, und etwa sechs Jahre später führte er eine Drehzahlregelung ein. Diese Neuerungen steigerten den Wirkungsgrad der Dampfmaschinen auf 3 Prozent.

Watts Vermächtnis und bleibender Einfluss

Watt erkannte auch die Bedeutung des Patentschutzes und meldete seine Erfindungen frühzeitig an, um von anderen Herstellern, die seine Technologie nutzen wollten, Lizenzgebühren zu verlangen. So konnte er die Qualität und Verbreitung seiner Maschinen kontrollieren. Obwohl James Watt nicht der Erfinder der Dampfmaschine war, spielte er eine entscheidende Rolle bei der industriellen Revolution in England und auf der ganzen Welt.

James Watt starb am 25. August 1819 auf seinem Landsitz “Heathfield Hall“ in Birmingham. Die Maßeinheit „Watt“ für die Leistung erinnert uns noch heute täglich an den Erfinder und Pionier. Watt selbst war Erfinder der Pferdstärken – also von PS.

Weiterentwicklungen und Variationen der Dampfmaschine von James Watt

Basierend auf der Dampfmaschine von James Watt entwickelte der Ingenieur Richard Trevithick im Jahr 1801 eine Hochdruck-Dampfmaschine, die mit einem fünffachen Atmosphärendruck betrieben wurde. Diese Maschine war leichter, kompakter und kostengünstiger als ihre Vorgänger, was zu ihrer raschen Akzeptanz und Verbreitung in vielen Industriezweigen beitrug. Trevithicks Innovationen erweiterten die industriellen Einsatzmöglichkeiten von Dampfmaschinen im Bergbau, in der Textilindustrie und im Transportwesen erheblich.

Im Bergbau wurden seine Maschinen zur Kohleförderung und zur Entwässerung von Schächten eingesetzt und ermöglichten so den Abbau von Rohstoffen aus tieferen Schichten. In der Textilindustrie machten seine verbesserten Dampfmaschinen Spinnereien und Webereien effizienter, da sie schneller arbeiteten und weniger Personal benötigten.

Kupferstich erste Dampflokomotive von Richard Trevithick

Kupferstich der ersten Dampflokomotive von Richard Trevithick aus einem russischen Technikgeschichte-Buch.

Foto: PantherMedia /
igorgolovniov

Erste Dampflokomotive

Ein Höhepunkt in Trevithicks Karriere war im Jahr 1803 der Bau der ersten Dampflokomotive, die auf einer Strecke in Wales erfolgreich getestet wurde.  Am 21. Februar 1804 setzte sie sich auf der Grubenbahn der Eisenhütte Pen-y-Darren in Merthyr-Tydfil in Bewegung. Die Fahrt über die 15,7 km lange Strecke dauerte 4 Stunden und 5 Minuten, wobei die Lokomotive fünf mit Eisenerz beladene Waggons zog.

Die gusseisernen Schienen der Pferdebahn hielten jedoch dem Gewicht der Lokomotive nicht stand und brachen. 1805 lieferte Trevithick eine weitere Lokomotive an die Wylam-Zeche in der Nähe von Newcastle. Diese Lokomotive, bekannt als die Newcastle-Lokomotive, war die erste mit Spurkranzrädern. So oder so war die Erfindung der Dampflokomotive ein Meilenstein in der Entwicklung des Schienenverkehrs und trug wesentlich zur Expansion des Eisenbahnwesens bei.

Startschuss zur industriellen Revolution

Die Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert revolutionierte zahlreiche Branchen und leitete die von England ausgehende industrielle Revolution ein. Durch ständige Weiterentwicklung konnten Arbeitsprozesse in vielen Industriezweigen mechanisiert werden, was zu einer enormen Steigerung der Produktivität führte.

Weltweite Auswirkungen und Fortschritte

Diese technische Innovation schuf zahlreiche neue Industriezweige und trieb bestehende voran. Im Bergbau ermöglichten Dampfmaschinen ein tieferes und effizienteres Abteufen der Schächte und damit eine höhere Rohstoffausbeute. In der Textilindustrie erleichterte der Einsatz der Dampfmaschine die Produktion erheblich und senkte die Kosten für Stoffe und Kleidung. Auch die Landwirtschaft und der Handel profitierten enorm von der Effizienzsteigerung der Dampfmaschinen. Dampfschiffe und Dampflokomotiven revolutionierten den Güter- und Personenverkehr, indem sie große Mengen schneller und kostengünstiger über weite Strecken transportierten.

Die Dampfmaschine in Deutschland

In Deutschland begann das Zeitalter der Dampfmaschinen Mitte des 19. Jahrhunderts und breitete sich vor allem in den Industriegebieten des Rheinlands und Westfalens rasch aus. Von etwa 651 Dampfmaschinen im Jahr 1849 stieg die Zahl innerhalb von 25 Jahren auf beeindruckende 11.706. Diese Entwicklung schuf zahlreiche Arbeitsplätze, vor allem in der Eisen- und Stahlindustrie sowie im rasch wachsenden Eisenbahnbau. Zwischen 1850 und 1870 wuchs das deutsche Eisenbahnnetz von 3.869 auf 11.523 Kilometer.

alte Dampfmaschine

Dampfmaschinen gab den Startschuss zur industriellen Revolution.

Foto: PantherMedia /
heiko119

Nachhaltiger Einfluss der Dampfmaschine

Zweifellos haben die Erfinder der Dampfmaschine einen entscheidenden Anteil am Beginn der industriellen Revolution. Die Dampfmaschine hatte weltweit weitreichende Auswirkungen auf Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt und veränderte die Arbeits- und Lebensweise der Menschen. Sie legte den Grundstein für die moderne Welt, in der wir heute leben. Nichtsdestrotrotz hat die Dampfmaschine im Verlauf der Zeit an Bedeutung verloren.

Niedergang der Dampfmaschine

Zum Ende des 19. Jahrhunderts begann der Niedergang der Dampfmaschine als dominierende Antriebskraft. In dieser Zeit kamen effizientere Technologien auf, darunter Elektrizität und Verbrennungsmotoren. Elektrische Motoren, die Vorteile wie geringere Lautstärke und größere Flexibilität boten, wurden schnell zu einer beliebten Alternative. Zudem konnten sie Energie über Leitungen über große Entfernungen beziehen, was neue Möglichkeiten in Handwerk und Industrie eröffnete.

Aufstieg der Verbrennungsmotoren

Im Jahr 1876 entwickelte Nicolaus August Otto den nach ihm benannten Otto-Motor, und 1893 ließ Rudolf Diesel seine „neue, rationelle Wärmekraftmaschine“ patentieren, die heute als Dieselmotor bekannt ist. Diese Verbrennungsmotoren boten eine effizientere und leichter zu handhabende Alternative zur Dampftechnologie. Sie waren besonders im Fahrzeugbau überlegen, da sie kompakter waren und weniger Wartung benötigten. Wilhelm Maybach und Gottlieb Daimler brachten diese Motoren zur Serienreife und leiteten damit das mobile Zeitalter ein.

Das Erbe der Dampfmaschine

Obwohl die Dampfmaschine zu Beginn des 20. Jahrhunderts an Bedeutung verlor, hat sie ein dauerhaftes Erbe hinterlassen. Die von ihr geprägten Entwicklungen und ihre weltweite Verbreitung während der industriellen Revolution hatten langfristige Auswirkungen. Viele der heute verwendeten Technologien, wie Dampfturbinen zur Stromerzeugung, sind direkte Weiterentwicklungen der Dampfmaschine. So bleibt die Dampfmaschine ein beständiges Symbol für menschlichen Erfindergeist und Fortschritt, das unsere moderne Welt auch heute noch maßgeblich beeinflusst.

Aufbau einer Dampfmaschine

Typischer Aufbau einer Dampfmaschine Zylindern, Kolben und Schwungrad.

Foto: PantherMedia /
Patrick Guenette

So funktionieren Dampfmaschinen

Sie haben nun ganz viel über die Erfinder und die Geschichte der Dampfmaschine gelernt . doch wie funktioniert sie eigentlich? Hier erst einmal eine kurze Definition: Dampfmaschinen sind Wärmekraftmaschinen, die mit Hilfe von Wärmeenergie mechanische Arbeit verrichten. Diese Maschinen arbeiten mit äußerer Verbrennung, d.h. sie benötigen ein Brennmedium, um das Arbeitsmedium zu erhitzen.

Brenn- und Arbeitsmedien

  • Brennmedien: Typische Brennstoffe sind Holz oder Kohle.
  • Arbeitsmedium: Wasser, das durch die erzeugte Wärme zu Wasserdampf wird.

Aufbau und Funktion einer Dampfmaschine

Der Basisaufbau einer Dampfmaschine ist meist gleich und umfasst mehrere Hauptkomponenten:

  1. Brennraum: Hier verbrennt man Holz oder Kohle, die Wärme erzeugt.
  2. Heizkessel: Er sitzt über dem Brennraum und erwärmt das Wasser, das anschließend verdampft.
  3. Transport des Dampfes: Ein Rohr führt den Dampf vom Heizkessel zum mechanischen Teil der Maschine.
  4. Mechanischer Teil:
    • Zylinder: Aufgeteilt in einen oberen und unteren Teil.
    • Kolben und Regler: Im unteren Zylinder treibt der Kolben das Schwungrad an. Der Regler im oberen Zylinder steuert die Dampfrichtung.

Mechanische Arbeitserzeugung

Der Prozess der Arbeitserzeugung verläuft in zwei Hauptphasen:

  • Erste Phase:
    • Der erhitzte Dampf drückt den Kolben, der das Schwungrad antreibt.
    • Gleichzeitig verschiebt sich der Regler, wodurch der abkühlende Dampf entweichen kann und den Kolben zurückzieht.
  • Zweite Phase:
    • Der Vorgang wiederholt sich in umgekehrter Richtung, wobei der Dampf den Kolben in die entgegengesetzte Richtung drückt.

Das Schwungrad dreht sich vollständig, und die Wärme wird effektiv in mechanische Bewegung umgewandelt, bereit, verschiedene Geräte anzutreiben. Dieser Zyklus beginnt dann von Neuem und hält die Maschine in Betrieb.

 

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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