Legte der Heronsball den Grundstein für die Dampfmaschine?

 

Wenn es um die Dampfmaschine geht, glauben viele Menschen bis heute, dass der schottische Erfinder James Watt (1736–1819) diese erstmals während der Industriellen Revolution entwickelte. Doch dem ist nicht so, denn Watt verfeinerte lediglich die Erfindung des Briten Thomas Newcomen (1663–1729).

Doch auch Newcomen war nicht der Erste, der die erste Art einer Wärmekraftmaschine baute. Das Prinzip, mechanische Bewegung durch Dampfdruck zu erzeugen, um damit etwa Kolben, Räder oder Pumpen zu betreiben, wurde bereits vor rund 2.000 Jahren entdeckt.

Den ersten bekannten Apparat dieser Art entwickelte der antike Mathematiker und Ingenieur Heron von Alexandria († nach 62 n. Chr.). Sein kreativer Schaffensort war die berühmte Bibliothek von Alexandria, wo Heron Schriften aus der gesamten, damals bekannten Welt studieren und allerlei physikalische Experimente durchführen konnte.

Es ist nicht auszuschließen, dass Heron dabei die Werke des ptolemäischen Erfinders Ktesibios (ca. 300–222 v. Chr.) und des römischen Ingenieurs Vitruv (ca. 80–15 v. Chr.) in den Händen hielt. Beide Gelehrte der vorchristlichen Zeit kannten bereits einen Apparat, der mittels kochendem Wasser einen starken Luftzug erzeugte.

Sehr wahrscheinlich sammelte Heron zur Zeit des römisch besetzten Ägyptens zahlreiche solche Erfindungen und wissenschaftliche Prinzipien und schrieb diese in eigenen Schriften nieder. Bis heute sind unter anderem die Werke „Dioptra“ („Buch der Optik“), Automata („Buch der Maschinen“), Pneumatika („Buch der Pneumatik und Hydraulik“) und Metrika („Buch der Messung“) bekannt.

Zwischen zahlreichen ausgeklügelten Konstruktionen wie einer Wasserorgel oder einem münzbetriebenen Weihwasserspender, die alle in Tempeln zum Einsatz kamen, beschrieb Heron auch den Aufbau und die Funktion einer Vorrichtung namens „Aeolipile“. Übersetzt bedeutet dies in etwa „Windkugel“, ist sprachlich an den griechischen Windgott Aiolos angelehnt und lässt die Art des Apparates bereits erahnen.

Bei seiner Aeolipile, die auch Heronsball genannt wird, handelte es sich um einen dreifüßigen Kessel, an dem eine Kugel über zwei Rohre so befestigt ist, dass sie sich drehen konnte. Der Kessel selbst ist geschlossen und mit Wasser gefüllt, während die Kugel zwei gegenläufig gebogene Austrittsdüsen besitzt.

Stellt man diesen Apparat nun über eine Hitzequelle, in der Antike ein gut geschürtes Holzfeuer, wird das Wasser im Kessel erhitzt und es entsteht Wasserdampf. Dieser sucht sich den Weg des geringsten Widerstands und strömt durch die Rohre in die Kugel, wo er schließlich aus den Düsen austritt.

Unter Berücksichtigung der Newtonschen Gesetze erzeugt der druckvoll entweichende Dampf mittels Rückstoßeffekt ein Drehmoment und die Kugel rotiert – wie ein Rasensprenger im Garten. Dabei wird thermische Energie in Rotationsenergie umgewandelt.

Um eine Windkugel erfolgreich zu betreiben, benötigte man jedoch saubere Handwerksarbeit und optimale Bedingungen. So müssen die Düsen tangential und nicht radial zur Rotationsachse ausgerichtet sein, damit die Kugel den maximalen Schwung erreicht. Wichtig ist auch eine leichtgängige Kugel, da ein Widerstand ebenso die Leistung verringert. Hinzu kommt, dass die Düsen nicht in die gleiche Richtung angebaut sein dürfen und das Wasser ausreichend stark erhitzt werden muss, da sonst kein Schub entsteht. [Mehr dazu]

Der Heronsball war somit eines der frühesten bekannten Instrumente, das Dampfdruck in Drehbewegung umwandelte – auch moderne Dampfturbinen machen sich dieses Prinzip zunutze. Allerdings diente er weder als Energiequelle noch als Antriebsart im Sinne einer Dampfmaschine.

Dass es dieses Gerät gab, wissen wir nur aus Schriftquellen – ein echtes Exemplar konnten Archäologen bislang nicht entdecken. Außerdem scheint diese Erfindung in der Antike praktisch nie verwendet worden zu sein. Schon damals galt der Heronsball als reines Kuriosum. Sein praktischer Nutzen wurde offenbar nicht erkannt.

Wieso diese Erfindung nie in großem Umfang im antiken Alltag zum Einsatz kam, ist nicht genau bekannt. Bis damit wirklich eine Fabrik angetrieben oder etwas in Bewegung gesetzt wurde, vergingen wahrscheinlich rund 1.500 Jahre.

Die erste dampfgetriebene Maschine meldete der spanische Universalgelehrte Jerónimo de Ayanz y Beaumont (1553–1613), der auch als „spanischer da Vinci“ bekannt ist, im Jahr 1606 zum Patent an.

Anders als die vorherigen Apparate kam diese frühe Dampfmaschine tatsächlich für Arbeitszwecke zum Einsatz – dem Auspumpen von Wasser in Bergwerken. Doch auch dieses Gerät war nicht dauerhaft funktionstüchtig und wurde im Laufe der nächsten 100 Jahre durch andere Erfinder stetig verbessert.

1712 war es dann soweit: Der Brite Thomas Newcomen baute eine Kolben antreibende atmosphärische Dampfmaschine. Mit dieser konnten zunächst lediglich Pumpvorgänge in Bergwerken getätigt werden. Sie hatte einen Wirkungsgrad von 0,5 Prozent.

Dank zahlreicher Weiterentwicklungen gelang es James Watt schließlich 1769, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Dampfmaschine im großen Stil für die Industrie anwendbar zu machen. Der französische Offizier und Erfinder Nicholas Cugnot nutzte sie erstmals zum Antrieb eines Wagens und der britische Ingenieur und Maschinenbauer Richard Trevithick setzte sie schließlich auf Schienen.

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