Geschichte der Ingenieurwissenschaften – einfach erklärt

Gegenstand und Entwicklungslinien

Die Geschichte der Ingenieurwissenschaften untersucht Technik in zwei Bedeutungen von Wissenschaft: als Bestand des Wissens über Technik und als soziales System aus Ingenieuren, Forschungsinstituten und Technischen Universitäten. Sie betrachtet deshalb sowohl technische Kenntnisse verschiedener Epochen als auch die Menschen und Institutionen, die sie erzeugten und weitergaben.

Ingenieurwissenschaften stehen in enger Wechselwirkung mit Technik, Naturwissenschaften, Wirtschaft, Politik, Philosophie und Gesellschaft. Ingenieure verbessern Technik; neue Technik erzeugt wiederum Forschungsfragen und neue Disziplinen. So entstand aus dem Automobil die Fahrzeugtechnik. Mechanik, Thermodynamik und Elektrotechnik werden bis heute von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren bearbeitet. Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts trennten sich ihre Schwerpunkte jedoch stärker: Naturwissenschaften betonten zunehmend theoretische Erkenntnis, Ingenieurwissenschaften die technische Anwendung.

Technisches Wissen reicht mehrere Jahrtausende zurück. Als institutionalisierte Wissenschaften entstanden die Ingenieurwissenschaften jedoch erst im 18. Jahrhundert in Frankreich und Deutschland. Entscheidend waren die Verbindung von Erfahrung, Experiment und mathematischer Theorie, die schriftliche Ordnung technischen Wissens sowie Schulen, Hochschulen, Laboratorien und Fachvereine.

Von den frühen Hochkulturen bis zum Mittelalter

Schon in der Steinzeit entstanden spezialisierte Werkzeuge zum Bohren, Sägen, Schaben, Fischen und Jagen. In Mesopotamien und Ägypten waren vor etwa 6000 Jahren Bergbau, Metallurgie und große Bauprojekte entwickelt. Kupferminen reichten bis 20 m unter die Erde; Kupfer wurde mit Zinn zu Bronze legiert. Wagenrad, Töpferscheibe und Pflug waren bekannt. Straßen, Brücken, Aquädukte, Paläste und Pyramiden wurden mithilfe von Rampen, Winden und Kranen errichtet.

An Tempel- und Palastschulen erhielten Ingenieure eine mehrjährige, staatlich finanzierte Ausbildung in Keilschrift, Rechnen, Mathematik und Messtechnik. Sie berechneten unter anderem Kanal- und Rampenneigungen, Erdaushub sowie Gewicht und Belastbarkeit von Mauern. Danach arbeiteten sie als hohe Beamte; zivile und militärische Aufgaben waren noch nicht getrennt. Praktische Probleme prägten auch die Mathematik. Für eine Kreisfläche verwendete man beispielsweise A=(8/9 d)², wobei d der Durchmesser ist. Das entspricht für die Kreiszahl dem Näherungswert 3,1605 statt 3,141….

In der griechisch-römischen Antike entstanden Mathematik, Mechanik und Naturphilosophie als Wissenschaften. Zugleich wurden Theorie und Praxis deutlich getrennt: Wissenschaft zielte meist auf Erkenntnis, während technische Anwendung als künstlicher Eingriff in die Natur galt. Archimedes formulierte das Hebelgesetz, begründete die Hydrostatik und wird mit Hebelwaage, Winde und archimedischer Schraube verbunden. Heron beschrieb Hebel, Winde, Keil, Rolle und Schraube; sein dampfbetriebener Heronsball blieb ein Spielzeug. Ktesibios gilt wegen Wasserorgel, Luftpumpe und Wasseruhr als Begründer der Hydraulik. Galileo Galilei überwand später die aristotelische Vorstellung des Falls und beschrieb ihn als Bewegung mit konstanter Beschleunigung.

Römer errichteten Straßen, Häfen, Brücken und Aquädukte und entwickelten Rundbogen und Gewölbe weiter. Der Tunnel des Eupalinos wurde von zwei Seiten durch einen Berg getrieben und erforderte umfangreiche Geometriekenntnisse. Dennoch blieb der Maschineneinsatz wegen der verbreiteten Sklavenarbeit begrenzt.

Im Mittelalter verbreiteten sich Wind- und Wassermühlen als Energiequellen. Sie trieben Getreidemühlen, Hammerwerke und weitere Maschinen an; Mühlenbauer mit Kenntnissen über Zahnräder und Wellen gelten als Vorläufer der Maschinenbauer. Kummet, Hufeisen, Räderpflug und Dreifelderwirtschaft erhöhten die Produktivität. Spitzbogen, Kreuzrippengewölbe und Strebepfeiler ermöglichten gotische Kathedralen. Zünfte überwachten Ausbildung und Produktqualität und wurden damit zu frühen Institutionen technischen Wissens. Ingenieure und Baumeister blieben jedoch überwiegend erfahrene Handwerker ohne formale Ausbildung. Die mittelalterlichen Universitäten lehrten die sieben freien Künste, aber keine eigenständigen Ingenieurwissenschaften.

Renaissance und Entstehung wissenschaftlicher Technik

In der Renaissance verbanden sogenannte Künstler-Ingenieure handwerkliche Erfahrung mit Mathematik und wiederentdeckten Schriften von Vitruv, Heron und Archimedes. Leonardo da Vinci entwarf zahlreiche Maschinen und untersuchte Materialien experimentell. Neue Kanonen führten zu flachen, dickwandigen, oft sternförmigen Festungen; Artillerie und Festungsbau wurden eigenständige Wissensgebiete. Mechanische Uhren verbesserten sich von etwa 15 Minuten auf 15 Sekunden Abweichung pro Tag.

Buchdruck und Papierherstellung erleichterten ab etwa 1550 die Verbreitung technischer Fachliteratur. Frühe Maschinenbücher enthielten meist Abbildungen und Erklärungen, aber aus Schutz des persönlichen Wissens keine vollständigen Maße und Bauangaben. Um 1700 erschienen bemaßte Grund- und Aufrisse. Wichtige Werke waren Agricolas De re Metallica von 1556, Bessons Theatrum instrumentarum et machinarum von 1569, Brancas La Maschine von 1629, Leupolds Schauplatz der Maschinen von 1727 und Bélidors architecture hydraulique von 1753. Die Literatur ordnete Wissen systematisch und förderte ein gemeinsames Berufsverständnis der Ingenieure.

Francis Bacon forderte Induktion: Aus Beobachtungen und Experimenten sollten allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden. René Descartes vertrat Rationalismus und mathematische Deduktion. Seine mechanische Naturauffassung beseitigte den grundsätzlichen Gegensatz zwischen Natur und Technik. Galilei zeigte, dass beim freien Fall die Strecke proportional zum Quadrat der Zeit ist, und beschrieb die Flugbahn geworfener Körper als Parabel. Newton und Leibniz entwickelten die Infinitesimalrechnung; Newton führte Himmelsbewegungen und irdischen Fall auf Gravitation zurück. Hooke beschrieb die Dehnung eines Drahtes als proportional zur mechanischen Spannung. Viele Modelle abstrahierten jedoch von Reibung, Luftwiderstand oder Materialeigenschaften, weshalb ihre praktische Anwendung zunächst schwierig blieb.

Akademien ergänzten die traditionellen Universitäten. Die Royal Society entstand 1660, die französische Académie des Sciences 1666 und Leibniz’ Sozietät der Wissenschaften 1700. Wissenschaft und Praxis beeinflussten einander, doch nicht jede theoretische Lösung funktionierte: Eulers Anlage für Sanssouci lieferte kein Wasser. Umgekehrt bauten Praktiker erfolgreiche Technik ohne umfassende Theorie. Newcomens Kolbendampfmaschine diente ab 1712 zur Grubenentwässerung; James Watt verbesserte sie später entscheidend.

Ausbildung, Industrialisierung und neue Disziplinen

Frankreich institutionalisierte die Ingenieurausbildung zuerst. 1675 entstand das Corps des ingénieurs du génie militaire, 1716 das Corps des ingénieurs des ponts et chaussées. Es folgten Spezialschulen, darunter 1747 die École nationale des ponts et chaussées, 1748 die Schule in Mézières, 1783 die École des Mines und 1794 die École polytechnique. Letztere vermittelte zwei Jahre lang gemeinsame mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen; anschließend folgte eine Anwendungsschule für ein Spezialgebiet. Diese Trennung von Grundlagen und Anwendung prägte ingenieurwissenschaftliche Studiengänge bis ins 21. Jahrhundert.

Die Industrielle Revolution begann Mitte des 18. Jahrhunderts in England. Besonders wichtig waren Textilmaschinen, Dampfmaschinen und Werkzeugmaschinen. Hinzu kamen neue Verfahren zur Stahlherstellung. Viele Erfindungen stammten zunächst von praktisch ausgebildeten Tüftler-Ingenieuren. England besaß eine ausgeprägte Werkstattkultur; Frankreich setzte stärker auf mathematisch-naturwissenschaftliche Schulen. Deutschland verband später beide Ansätze.

Im 19. Jahrhundert entstanden im deutschsprachigen Raum zahlreiche polytechnische Schulen, unter anderem 1806 in Prag, 1815 in Wien, 1825 in Karlsruhe und 1855 in Zürich. Sie entwickelten sich zu Technischen Hochschulen. Um 1900 erhielten diese das Promotionsrecht und waren damit den Universitäten formal gleichgestellt. In Preußen durften sie seit 1899 Diplomingenieur und Doktor-Ingenieur verleihen. Fach- und Gewerbeschulen bildeten für mittlere technische Tätigkeiten aus; aus späteren Mittelschulen entwickelten sich im 20. Jahrhundert die Fachhochschulen.

Die wissenschaftliche Bearbeitung der Technik erzeugte neue Fächer. Coulomb, Navier, Coriolis und Poncelet begründeten die Technische Mechanik als eigenständiges Lehrgebäude. Sadi Carnot beschrieb 1824 einen idealen Kreisprozess; Julius Robert Mayer erkannte Wärme als Energieform, und Rudolf Clausius formulierte die beiden Hauptsätze der Thermodynamik. Zeuner ordnete 1859 die Wärmetheorie für Ingenieure. Linde verbesserte Kältemaschinen; Rudolf Diesel entwickelte einen Verbrennungsmotor mit deutlich höherem Wirkungsgrad als bisherige Dampfmaschinen.

Aus der mechanischen und chemischen Technologie gingen Fertigungs- und Verfahrenstechnik hervor. Karmarsch systematisierte Fertigungsverfahren; Wöhlers Dauerfestigkeitsversuche und Bauschingers Materialmessungen stärkten die Materialprüfung. Ab etwa 1880 entstanden eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik. Das dynamoelektrische Prinzip von Siemens ermöglichte Erzeugung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie durch Generatoren und Motoren. Technische Hochschulen, private Institute, staatliche Einrichtungen wie die Physikalisch-Technische Reichsanstalt und industrielle Labore wurden zu zentralen Forschungsorten.

Ingenieurwesen im 20. Jahrhundert

Im 20. Jahrhundert beschleunigte sich die technische Entwicklung. Stahlbeton ermöglichte immer größere Bauwerke. Im Maschinenbau führten Autos, Flugzeuge und Raketen zu Fahrzeugtechnik sowie Luft- und Raumfahrttechnik. Turbinen ersetzten teilweise Maschinen mit hin- und hergehenden Kolbenbewegungen. Kerntechnik und später erneuerbare Energien erweiterten Energie- und Umwelttechnik.

Elektronenröhren, Transistoren und Dioden ermöglichten Automatisierung und leistungsfähige Computer. Computer veränderten wiederum die Ingenieurarbeit: CAD dient dem computergestützten Konstruieren, CIM und CNC der Produktion und die Finite-Elemente-Methode (FEM) komplexen Berechnungen. Neben Spezialisierungen entstanden Schnittstellendisziplinen wie Chemieingenieurwesen, Bioverfahrenstechnik, Biotechnik, Mechatronik und Medizintechnik. Regelungstechnik und Systemtheorie gingen besonders aus theoretischer ingenieurwissenschaftlicher Forschung hervor.

Unternehmen trennten Konstruktion und Fertigung zunehmend organisatorisch. Taylors „Wissenschaftliche Betriebsführung“ plante Arbeitsabläufe systematisch; Arbeitsvorbereitung, Standardisierung und Normung sollten Aufwand und Stückkosten senken. In Deutschland entwickelten sich daraus unter anderem die deutschen Industrienormen (DIN). Die Zahl der Ingenieure stieg stark: in Deutschland vor 1914 auf 100.000 bis 150.000, in den 1930er-Jahren auf 200.000 bis 250.000, 1980 auf etwa 370.000 in der Bundesrepublik und etwa 500.000 in der DDR nach dortiger Definition; 2000 waren es etwa 650.000.

Die Forschung wurde durch Hochschulen, staatliche Einrichtungen, private Institute und Industrielabore ausgebaut. Das nach 1945 in den USA verbreitete lineare Modell führte von Grundlagenforschung über angewandte Forschung, Konstruktion und Produktion zur Vermarktung. Seit den 1960er-Jahren wurde es kritisiert; Untersuchungen schätzten den unmittelbaren Anteil der Grundlagenforschung an technischen Innovationen auf unter ein Prozent und sahen innerhalb von 20 Jahren kaum praktische Wirkung. Gegen Ende des Jahrhunderts verschwamm die Grenze zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung.

In Deutschland beteiligten sich Technische Hochschulen nach 1933 vielfach an der nationalsozialistischen Selbstgleichschaltung und Ausgrenzung jüdischer Mitglieder. Nach dem Krieg wurde häufig die Wertneutralität der Technik betont. Das Ingenieurgesetz von 1970 regelte die Berufsbezeichnung. Später ersetzte die Bologna-Reform Diplomabschlüsse durch Bachelor und Master.

Fachgemeinschaften und Erforschung der Geschichte

Fachzeitschriften und Vereine förderten Erfahrungsaustausch, technische Bildung, Normen und eine gemeinsame Fachsprache. Bedeutend waren unter anderem der 1856 gegründete Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE), die britischen Institutions of Civil und Mechanical Engineers sowie entsprechende amerikanische Verbände. Berufsverbände vertraten außerdem die gesellschaftlichen und berufspolitischen Interessen der Ingenieure.

Als erster Technikhistoriker gilt Johann Beckmann, der den Stand der Technik und die Geschichte von Erfindungen darstellte. Im 19. und frühen 20. Jahrhundert schrieben Ingenieure wie Friedrich Klemm und Conrad Matschoß vor allem Geschichten bedeutender Erfindungen und Personen. Marx und Engels betonten stärker politische und gesellschaftliche Bedingungen. Seit etwa 1960 entwickelte sich Technikgeschichte zu einem von ausgebildeten Historikern betriebenen Fach. Das 1990 von Rolf Sonnemann und Gisela Buchheim herausgegebene Werk Geschichte der Technikwissenschaften gilt als erstes und bislang einziges Gesamtwerk. Seit den 1990er-Jahren untersuchen auch Wissenschaftstheorie und Philosophie verstärkt die innere Struktur technischen und ingenieurwissenschaftlichen Wissens.