James Watt

James Watt
(Gemälde von Henry Howard, um 1797)

James Watts Unterschrift

James Watt (* 19. Januar^jul./ 30. Januar 1736^greg. in Greenock; † 25. August 1819^[1] in seinem Haus in Heathfield, Staffordshire) war ein schottischer Erfinder. Seine, aus heutiger Sicht, einflussreichste Erfindung war die Verbesserung des Wirkungsgrades von Dampfmaschinen durch Verlagerung des Kondensationsprozesses aus dem Zylinder in einen separaten Kondensator. Watt selbst hielt das von ihm entworfene Gestänge, das Wattsche Parallelogramm, für seine größte Erfindung.

Leben

James Watt (1792)

Original Kondensator von Watt

Schematische Darstellung der von James Watt benutzten Apparatur zum Austesten seiner Ideen zur Effizienzsteigerung von Dampfmaschinen.

Nachbau einer Wattschen Niederdruckdampfmaschine

Kindheit und Jugend

James Watt wurde als Sohn armer, aber sehr gebildeter Eltern geboren. Sein Vater war Zimmermann und Konstrukteur von nautischen Geräten, Watts Großvater war national-schottisch eingestellter Mathematiklehrer gewesen. James war ein kränkliches Kind, das unter anderem unter chronischen Kopfschmerzen litt. Die Eltern unterrichteten ihn deshalb teilweise selbst. Schon als Junge experimentierte er gern und soll die Funktionsweise von jedem Gegenstand, den er in die Finger bekam, erforscht haben. Darüber hinaus war Watt ein eifriger Sammler von Pflanzen und Steinen, las alles, was es zu lesen gab, und erfand selber Geschichten.

Für ein Medizinstudium, für welches Watt sich interessierte, waren seine Eltern jedoch zu arm. Deshalb begann Watt in London eine inoffizielle Mechanikerlehre, nachdem er im schottischen Glasgow keinen Lehrherrn finden konnte. Da diese ihm jedoch schon bald nichts Neues mehr zu bieten hatte, brach er sie vor Ablauf der vorgeschriebenen sieben Jahre ab. Eine eigene Werkstatt konnte er wegen der nicht abgeschlossenen Ausbildung nicht eröffnen, da die Glasgower Zünfte Einspruch erhoben. Watt erhielt 1757 eine Stelle als Instrumentenmacher an der Universität von Glasgow. Dort fertigte und reparierte er für die Universität Instrumente wie Kompasse und Quadranten. Sein Einraum-Labor, das er nach einem Jahr um einen zweiten – zur Straße gelegenen – Raum mit Schaufenstern erweiterte, entwickelte sich schon bald zum Treffpunkt von Dozenten und Studenten. Watt fand an der Universität viele Freunde, obwohl er „nur“ ein Handwerker war. Unter anderem war er mit dem Ökonom Adam Smith befreundet. Er wurde von seinen Zeitgenossen als außerordentlich bescheiden und liebenswürdig beschrieben.

1760 heiratete Watt seine Cousine und Jugendliebe, die 1736 geborene Margaret Miller. Margaret Watt starb 1773 bei der Geburt des sechsten Kindes. Von ihren gemeinsamen Kindern überlebte nur der 1769 geborene Sohn James. 1775 heiratete Watt Anne Macgregor.^[2]

Fortentwicklung der Dampfmaschine

1764 erhielt Watt als Universitätsmechaniker den Auftrag, das nur schlecht funktionierende Modell einer Dampfmaschine nach der Bauart von Thomas Newcomen zu reparieren. Watt erkannte, dass das Problem im ungünstigen Wärmehaushalt der Grundkonstruktion begründet war. Ein Großteil des einströmenden Wasserdampfes wurde dabei verbraucht, die Zylinderwandung auf über 100° aufzuheizen. Beim Modell trat dieser Sachverhalt aufgrund des unterschiedlichen Verhältnisses von Zylinderoberfläche und -volumen deutlicher zutage als bei den Originalmaschinen. Watt beschloss, die Maschine – basierend auf Vorarbeiten von Denis Papin – zu verbessern. Er lernte neben Französisch und Italienisch auch Deutsch, um deutsche Schriften zur Wärmetheorie zu lesen. Um das fortwährende, wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders zu vermeiden, verlegte er die notwendige Kondensation des Wasserdampfes in einen separaten Behälter, den Kondensator. Zusätzlich ließ er den Zylinder von außen in der sogenannten 'Steam Jacket' (deutsch etwa: Dampfjacke) mit Dampf umspülen, um die Wärmeverluste im Zylinder zu verringern. Diese Dampfumspülung isolierte er nach außen mit senkrecht angebrachten Holzbrettern. Erst wesentlich später konstruierte er den Zylinder auf Doppelwirkung um: Während bei den Vorgängermaschinen der Kolben durch den atmosphärischen Luftdruck nach unten sank, wurde der Vorgang nun durch Dampfkraft unterstützt. Für diese scheinbar kleine Änderung musste der Zylinderdeckel an der Kolbenstange abgedichtet werden und das kraftübertragende Gestänge vollkommen neu konstruiert werden. Watt erfand hierfür das Wattsche Parallelogramm, dessen Bedeutung er noch über der des separaten Kondensators sah.

Watt gab seine Stelle an der Universität Glasgow auf, um sich stärker der Weiterentwicklung der Dampfmaschine zu widmen. Obwohl er nebenbei als Feldvermesser arbeitete, häufte er in den folgenden Jahren Schulden an. Auch war er häufig krank. Erst 1769 fand er in dem Eisenfabrikanten John Roebuck (1718–1794) einen Finanzier und erhielt am 5. Januar 1769 das englische Patent Nr. 913.^[3] Watts Verbesserungen ermöglichten gegenüber der von John Smeaton optimierten Newcomen-Dampfmaschine eine Ersparnis an Steinkohle von über 60 Prozent.

Es gelang zunächst nicht, einen dampfdichten Zylinder herzustellen. Über den Versuchen ging sein Förderer John Roebuck pleite. Der Industriebaron Matthew Boulton erklärte sich bereit, Roebucks Nachlass zu übernehmen, wenn er die Verlängerung des Patentes um 25 Jahre bis zum Jahr 1800 erreichen könne. Nach erfolgreicher Lobbyarbeit wurde die Firma Boulton & Watt für die Dauer der Gültigkeit des Patents gegründet. Boulton sicherte sich für seinen Anteil 2/3 der Einnahmen zu. Die erste einsatzfähige Dampfmaschine nach dem Wattschen Prinzip wurde 1776 in der Fabrik von John Wilkinson installiert. Wilkinsons Firma war es gelungen, einen Zylinder aus Eisen in der erforderlichen Qualität zu fertigen: Er nutzte ein von ihm entwickeltes und patentiertes Verfahren zum Bohren von Kanonen in Eisen, bei dem der Bohrmeißel fixiert wird und sich das Werkstück um diesen dreht. In der Folge stellten 'Boulton & Watt' in Soho bei Birmingham wichtige Teile wie Kondensator und Luftpumpe her, zusammengebaut wurden die Dampfmaschinen erst beim Kunden. Wilkinson lieferte die Zylinder direkt an den Aufstellungsort und weitere benötigte Materialien wurden vor Ort dazugekauft und angepasst. Es ist eine Besonderheit, dass 'Boulton & Watt' die Dampfmaschinen anfangs nicht verkaufte, sondern über die Patentlaufzeit verleaste. Als Nutzungsentgelt verlangten sie ein Drittel der gegenüber der optimierten Newcomen-Dampfmaschine gesparten Brennstoffkosten. Zu dessen besseren Berechnung konstruierte Watt eigens einen manipulationssicheren Zähler für die Kolbenbewegungen.

1781 wandelte Watt den Kolbenhub mittels eines Schubkurbelgetriebes in eine Drehbewegung um. 1782 konstruierte er eine Dampfmaschine, bei der der Kolben von beiden Seiten durch Dampf bewegt wird. Damit hatte James Watt nun eine Dampfmaschine entwickelt, bei der die komplette Arbeit vom Dampf geleistet wurde, und nicht mehr ein Teil der Arbeit vom relativ niedrigen natürlichen Luftdruck. Auf diese Weise wurden wesentlich stärkere Maschinen möglich. Bei dieser Dampfmaschine drückt der Kolben den Balancier nach oben und zieht ihn nach unten. Damit diese in zwei Richtungen wirkenden Kräfte übertragen werden konnten, wurde statt einer Kette eine Kolbenstange benutzt. Zur linearen Führung der Kolbenstange am pendelnden Balancier erfand Watt 1784 das Wattsche Parallelogramm. 1788 stattete er seine Dampfmaschinen mit den bereits erfolgreich in Windmühlen benutzten Fliehkraftreglern zur Regelung der Drehgeschwindigkeit der Antriebsachse unter Belastungsschwankungen aus. Außerdem führte er die Pferdestärke (PS) als Maßeinheit für die Leistung ein.

Die Dampfmaschinen von Watt erreichten schließlich einen Wirkungsgrad von 3 %, das dreifache der optimierten Newcomen-Dampfmaschinen. Der Bau einer Hochdruckdampfmaschine verzögerte sich wegen Watts Angst vor Explosionen und seinem bis zum Jahr 1800 verlängertem Patent über die Dampfkondensation außerhalb das Zylinders. Als Richard Trevithick (1771–1833) im Jahre 1804 eine auf Rädern und Schienen fahrende Hochdruckdampfmaschine konstruierte und mit fünffachem Atmosphärendruck betrieb, wünschte Watt ihm ob des Leichtsinns den Strick um den Hals.

Watt und Boulton behinderten während der Zeit, in der die Watt verliehenen Patente Gültigkeit hatten, erfolgreich die Weiterentwicklung der Dampfmaschine durch konkurrierende Ingenieure. So verklagten sie Jonathan Hornblower, dessen Verbunddampfmaschine einen höheren Wirkungsgrad möglich machte, wegen Patentverletzung und konnten so deren Weiterentwicklung stoppen.^[4]

Lebensabend

Watt stieg im Jahre 1800 aus seinem Unternehmen aus und übergab seine Anteile an seine Söhne James und Gregory. Er selbst zog sich in sein Haus Heathfield in Handsworth, Birmingham, zurück, wo er an diversen weiteren Erfindungen arbeitete, darunter Dingen, die eher dem Zeitvertreib als dem ernsthaften technischen Einsatz dienten. Er lebte äußerst gesellig und seine Gäste schwärmten, dass man sich mit ihm über alle Themen unterhalten könne. Der schottische Nationaldichter Walter Scott äußerte sich einmal erleichtert darüber, dass Watt Ingenieur geworden war. Dessen Talent zum Geschichtenerzählen hätte ihm sonst ernsthaft Konkurrenz gemacht.

Würdigung

Die SI-Einheit Watt und eine Medaille

Die SI-Einheit der Leistung wurde mit Watt benannt und ersetzte das bisher verwendete, von ihm eingeführte PS.

Die britische Institution of Mechanical Engineers nannte ihre höchste Auszeichnung die „James-Watt-Medaille“. Diese gilt heute als die weltweit renommierteste Auszeichnung auf dem Gebiet des Maschinenbaus.

Nachruf

James Watt wurden unter anderem der Ehrendoktor der Universität Glasgow verliehen. Er war korrespondierendes Mitglied der französischen Akademie der Wissenschaften. Am 25. August 1819 starb Watt. Er wurde in der St. Mary’s Church in Handsworth bei Birmingham beigesetzt. Auf seinem Kenotaph in der Westminster Abbey findet sich folgende Inschrift:

James Watt Denkmal in Glasgow

NOT TO PERPUATE A NAME,	Nicht um einen Namen zu verewigen,
WHICH MUST ENDURE WHILE THE PEACEFUL ARTS FLOURISH,	welcher so lange währen muss, als die Künste des Friedens blühen werden,
BUT TO SHOW	sondern um zu zeigen,
THAT MANKIND HAVE LEARNED TO HONOUR THOSE	dass die Menschen es verstehen, jene zu ehren,
WHO BEST DESERVE THEIR GRATIDUDE,	welche ihre Dankbarkeit am meisten verdienen,
THE KING,	haben der König,
HIS MINISTERS, AND MANY OF THE NOBLES	seine Minister und viele Edelleute
AND COMMONERS OF THE REALM	sowie andere Bürger des Königreichs
RAISED THIS MONUMENT TO	dieses Denkmal gesetzt dem
JAMES WATT	James Watt
WHO DIRECTING THE FORCE OF AN ORIGINAL GENIUS	welcher die Kraft eines schöpferischen,
EARLY EXERCISED IN PHILOSOPHIC RESEARCH	in wissenschaftlichen Forschungen früh geübten Geistes
TO THE IMPROVEMENT OF	auf die Verbesserung
THE STEAM-ENGINE	der Dampfmaschine wandte,
ENLARGED THE RESOURCES OF HIS COUNTRY	dadurch die Hilfsquellen seines Landes vermehrte,
INCREASED THE POWER OF MAN	die Kraft des Menschen vergrößerte,
AND ROSE TO AN EMINENT PLACE	und sich zu einer hervorragenden Stellung erhob
AMONG THE MOST ILLUSTRIOUS FOLLOWERS OP SCIENCE	unter den berühmtesten Männern der Wissenschaft
AND THE REAL BENEFACTORS OF THE WORLD	und den wahren Wohltätern der Welt.
BORN AT GREENOCK MDCCXXXVI	Geboren zu Greenock 1736,
DIED AT HEATHFIELD IN STAFFORDSHIRE MDCCCXIX	gestorben zu Heathfield in Straffordshire 1819.

Erfindungen im Überblick

• Separater Kondensator bei gleichzeitigem Dampfmantel für den Zylinder.
• Adaptation der Fliehkraftregler zur Regulierung der Dampfzufuhr der Dampfmaschine.
• Wattsches Parallelogramm (Grundlage für den doppelt wirkenden Zylinder).
• pv-Diagramm (Indikator-Diagramm) zur Untersuchung thermodynamischer Vorgänge.
• Entdeckung und Nutzung der Dampfexpansion.
• Von William Murdoch entwickelt und von Watt patentiert: Planetengetriebe der Verbindung Balancier-Schwungradwelle zur Umgehung des Patentes auf die Kurbelwelle von James Pickard, da Watt eine von Pickard vorgeschlagene Kreuzlizensierung ablehnte.
• Wattsche Presse.

Siehe auch

• Boulton & Watt

Film

• Sieg der Feuermaschine. Dokumentation, Doku-Drama, Deutschland, 2008, Buch und Regie: Achim Scheunert, 45 Min., Produktion: Engstfeld Film, ZDF, Reihe: Terra X, Erstsendung: 15. Februar 2009, Inhaltsangabe vom ZDF und online-Video

Literatur

• Hans L. Sittauer: James Watt. B.G.Teubner, 3. Aufl., Leipzig 1989, ISBN 3-322-00696-4
• Walther Kiaulehn: Die eisernen Engel. Geburt, Geschichte und Macht der Maschinen von der Antike bis zur Goethezeit. Deutscher Verlag („arisierter“ Ullstein Verlag) 1935.
• Richard L. Hills: James Watt, Landmark Publishing, Band 1–3, 2002–2006, ISBN 1-84306-045-0, ISBN 1-84306-046-9, ISBN 1-84306-193-7 (englisch)
• Frederick Joseph Bramwell: Watt, James (1736-1819). In: Sidney Lee (Hrsg.): Dictionary of National Biography (DNB), Band 60 (Watson - Whewell), MacMillan & Co, Smith, Elder & Co., New York City, London 1899, S. 51–62 (englisch)

Weblinks

• Literatur von und über James Watt im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Die Perfektionierung der Dampfmaschine durch J. Watt und deren Wirkungsweise (LEIFI)
• Eintrag zu Watt, James (1736 - 1819) im Archiv der Royal Society, London (englisch)

Einzelnachweise, Patente

1. ↑ Jennifer Tann: Watt, James (1736–1819), engineer and scientist. In: H. C. G. Matthew, Brian Harrison (Hrsg.): Oxford Dictionary of National Biography, from the earliest times to the year 2000 (ODNB), Oxford University Press, Oxford 2004, ISBN 0-19-861411-X, online, Stand: Mai 2007 (Lizenz erforderlich). gesehen am 5. April 2008 (englisch)
   In der Literatur über James Watt wird oft der 19. August als Todesdatum genannt. Diese Angabe geht auf die Biographie The Life of James Watt (1858, S. 521) von James Patrick Muirhead zurück. Sie bezieht ihre (vermeintliche) Legitimation aus der Tatsache, dass Muirhead ein Neffe Watts war und daher ein besonders gut informierter Gewährsmann sein sollte. In Muirheads Nachlass (Muirhead papers) ist allerdings ebenfalls vom 25. August die Rede. Gleichlautend äußern sich zeitgenössische Zeitungsberichte über Watts Beisetzung sowie ein Abriss (abstract) und Zusatz (codicil) zu Watts Testament. (Im einschlägigen Bestattungsregister der St. Mary's-Kirche (Birmingham-Handsworth) ist der Tag von Watts Ableben dagegen nicht vermerkt.)
2. ↑ James Watt in der Notable Names Database (englisch)
3. ↑ James Watt Separat Condensor Patent (No. 913, 1769) (PDF)
4. ↑ Ben Marsden: Watt’s Perfect Engine: Steam and the Age of Invention. Columbia University Press, 2004.

Normdaten: PND: 118629484 (PICA) | LCCN: n50034930 | VIAF: 22269445 | WorldCat | WP-Personeninfo