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James Watt
Seine einflussreichste Erfindung war die 1769 patentierte Verbesserung des Wirkungsgrades der Dampfmaschine durch Verlagerung des Kondensationsprozesses aus dem …
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Bedeutung und Grundidee
James Watt (* 19. Januar jul. / 30. Januar 1736 greg. in Greenock; † 25. August 1819 in Heathfield, Staffordshire) war ein schottischer Erfinder und einer der wichtigsten Entwickler der Dampfmaschine. Er erfand die Dampfmaschine nicht, verbesserte aber ihren Wirkungsgrad entscheidend. Seine einflussreichste Neuerung war der 1769 patentierte separate Kondensator: Der Wasserdampf wurde nicht mehr im Arbeitszylinder, sondern in einem eigenen Behälter abgekühlt und verflüssigt. Dadurch musste der Zylinder nicht bei jedem Arbeitszyklus erneut aufgeheizt werden, was den Dampf- und Brennstoffverbrauch stark verringerte.
Watt entwickelte außerdem Lösungen, mit denen sich die geradlinige Kolbenbewegung in eine Drehbewegung umwandeln, die Drehzahl stabil halten und die Maschine in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens antreiben ließ. Damit wurden wesentlich stärkere und vielseitiger einsetzbare Maschinen möglich. Watt selbst hielt das Wattsche Parallelogramm, ein Gestänge zur annähernd geradlinigen Führung der Kolbenstange, für seine größte Erfindung.
Ausbildung und beruflicher Weg
Watt wuchs in Greenock auf und arbeitete nach der Schule zunächst in der Werkstatt seines Vaters, der unter anderem Kaufmann, Schiffsbauer, Zimmermann und Tischler war. 1754 ging Watt nach Glasgow, um das Handwerk des mathematischen Instrumentenbauers zu erlernen. Weil er keine abgeschlossene, von den Zünften anerkannte Ausbildung besaß, durfte er dort zunächst keine eigene Werkstatt eröffnen.
1757 erhielt er eine Stelle als Instrumentenmacher an der Universität Glasgow. Er fertigte und reparierte wissenschaftliche Instrumente wie Kompasse und Quadranten. Seine Werkstatt wurde zu einem Treffpunkt von Dozenten und Studenten; zu seinen Freunden gehörte der Ökonom Adam Smith. Zeitweise arbeitete Watt auch als Feldvermesser. 1773 untersuchte er im staatlichen Auftrag die Möglichkeit eines Kanals durch den Great Glen zwischen Fort William und Inverness, der später als Kaledonischer Kanal gebaut wurde.
Watt heiratete 1764 seine Cousine Margaret Miller. Sie starb 1773 bei der Geburt ihres sechsten, tot geborenen Kindes; von den gemeinsamen Kindern überlebte nur der 1769 geborene Sohn James. 1775 heiratete Watt Anne McGrigor.
Verbesserung der Dampfmaschine
1764 sollte Watt als Universitätsmechaniker ein Modell einer Newcomen-Dampfmaschine reparieren. Dabei erkannte er das zentrale Problem dieser Bauart: Ein großer Teil des einströmenden Dampfes wurde dafür verbraucht, die zuvor abgekühlte Zylinderwand bei jedem Zyklus wieder aufzuheizen. Aufbauend auf Vorarbeiten von Denis Papin verlagerte Watt deshalb die Kondensation des Dampfes in einen separaten Kondensator. Zusätzlich umgab er den Zylinder mit einem „Steam Jacket“, einem Dampf-Doppelmantel, und isolierte ihn mit senkrechten Holzbrettern. So blieb der Arbeitszylinder möglichst heiß, während der Abdampf getrennt abgekühlt wurde.
Am 5. Januar 1769 reichte Watt das englische Patent Nr. 913 mit dem Titel „A New Invented Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines“ ein; registriert wurde es am 29. April 1769. Gegenüber der bereits von John Smeaton verbesserten Newcomen-Maschine ermöglichten Watts Neuerungen eine Steinkohleersparnis von über 60 Prozent.
Die praktische Umsetzung scheiterte zunächst daran, dass kein ausreichend präziser und dampfdichter Zylinder hergestellt werden konnte. Der Eisenfabrikant John Roebuck finanzierte Watt, wurde jedoch insolvent. Danach übernahm der Unternehmer Matthew Boulton Roebucks Anteil. Nach einer Verlängerung des Patents um 25 Jahre bis 1800 entstand die Firma Boulton & Watt. Boulton erhielt für seinen Anteil zwei Drittel der Einnahmen.
Die erste einsatzfähige Maschine nach Watts Prinzip wurde 1776 in der Fabrik von John Wilkinson installiert. Wilkinson konnte mit einem präzisen Bohrverfahren Zylinder aus Eisen in der benötigten Qualität herstellen. Boulton & Watt fertigte die Maschinenbestandteile teilweise in Soho bei Birmingham; zusammengesetzt wurden die Anlagen beim jeweiligen Kunden. Anfangs verkaufte das Unternehmen die Maschinen nicht, sondern vermietete sie während der Patentlaufzeit. Als Gebühr verlangte es ein Drittel der im Vergleich zur optimierten Newcomen-Maschine eingesparten Brennstoffkosten. Zur Kontrolle konstruierte Watt einen manipulationssicheren Zähler für die Kolbenbewegungen.
Drehbewegung, doppelte Wirkung und Regelung
1781 wandelte Watt den geradlinigen Kolbenhub durch ein Kreisschubgetriebe in eine Drehbewegung um. Eine solche Bewegung konnte beispielsweise eine Welle antreiben. 1782 entwickelte er eine doppelt wirkende Dampfmaschine: Dampf bewegte den Kolben abwechselnd von beiden Seiten, sodass der Dampfdruck die gesamte Arbeit leistete. Zuvor war der Kolben vor allem durch den Unterdruck bewegt worden, der bei der Kondensation des Dampfes entstand. Die neue Bauweise ermöglichte wesentlich stärkere Maschinen.
Da der Kolben den Balancier nun sowohl nach oben drückte als auch nach unten zog, musste eine feste Kolbenstange an die Stelle der zuvor verwendeten Kette treten. Zur Führung dieser Stange am pendelnden Balancier erfand Watt 1784 das Wattsche Parallelogramm.
Seit 1788 verwendete Watt Fliehkraftregler, die bereits aus Windmühlen bekannt waren. Ein Fliehkraftregler passt die Dampfzufuhr an und hält dadurch die Drehzahl der Antriebsachse trotz wechselnder Belastung möglichst konstant. Watt führte außerdem die Pferdestärke (PS) als Maßeinheit für Leistung ein. Ebenfalls 1788 begann in Soho eine durch seine Dampfmaschine angetriebene Münzprägung.
Watts Maschinen erreichten schließlich einen Wirkungsgrad von 3 Prozent und damit etwa das Dreifache der optimierten Newcomen-Maschinen. Die praktische Einführung von Hochdruckdampfmaschinen verzögerte sich unter anderem wegen Watts Sicherheitsbedenken und seines bis 1800 gültigen Patents auf die Kondensation außerhalb des Zylinders.
Weitere Erfindungen und Konkurrenz
Zu Watts technischen Leistungen gehörten neben dem separaten Kondensator, dem Dampfmantel, dem Fliehkraftregler und dem Wattschen Parallelogramm auch das pv-Diagramm oder Indikator-Diagramm zur Untersuchung thermodynamischer Vorgänge sowie die Entdeckung und Nutzung der Dampfexpansion. Weitere Erfindungen waren die Wattsche Presse und ein Gasinhalator.
Das Planetengetriebe zur Verbindung von Balancier und Schwungradwelle wurde von William Murdoch entwickelt und von Watt patentiert. Es diente dazu, das Patent von James Pickard auf die Kurbelwelle zu umgehen, nachdem Watt eine von Pickard vorgeschlagene gegenseitige Lizenzierung abgelehnt hatte.
Watt und Boulton gingen während der Laufzeit ihrer Patente gegen konkurrierende Entwicklungen vor. Sie verklagten Jonathan Hornblower wegen Patentverletzung und stoppten damit die Weiterentwicklung seiner Verbunddampfmaschine, die einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen konnte. Der Artikel berichtet außerdem, Watt habe die von Richard Trevithick 1804 gebaute, auf Rädern und Schienen fahrende Hochdruckdampfmaschine wegen ihres Betriebs mit fünffachem Atmosphärendruck scharf verurteilt. Dieser Abschnitt des Ausgangsartikels ist jedoch ausdrücklich als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet.
Lebensende und Ehrungen
1800 schied Watt aus seinem Unternehmen aus und übergab seine Anteile an seine Söhne James und Gregory. Er zog sich nach Heathfield in Handsworth bei Birmingham zurück und arbeitete dort weiter an verschiedenen Erfindungen. Am 25. August 1819 starb er; beigesetzt wurde er in der St. Mary’s Church in Handsworth. In der Westminster Abbey wurde ihm ein Kenotaph, also ein Ehrenmal ohne Grabstätte, errichtet.
Die SI-Einheit der Leistung trägt zu seinen Ehren den Namen Watt und ersetzte die von ihm eingeführte Einheit PS. Die britische Institution of Mechanical Engineers benannte ihre höchste Auszeichnung „James-Watt-Medaille“. Nach ihm heißen außerdem seit 1935 der Mondkrater Watt und seit 2014 der Asteroid (5961) Watt. Die Universität Glasgow verlieh ihm die Ehrendoktorwürde; außerdem war er korrespondierendes Mitglied der französischen Akademie der Wissenschaften.
