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Technik in der Industrialisierung
Otfried Wagenbreth, Helmut Düntzsch, Albert Gieseler: Die Geschichte der Dampfmaschine. Historische Entwicklung – Industriegeschichte – Technische Denkmale.
Inhalt6 Abschnitte
Überblick
Die Technik in der Industrialisierung ist vor allem durch Steinkohle, Dampfmaschinen, Textilmaschinen, Werkzeugmaschinen sowie Dampflokomotiven und Dampfschiffe geprägt. Die industrielle Revolution begann in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Sie bestand nicht nur aus technischen Neuerungen, sondern veränderte auch Wirtschaft und Gesellschaft stark. Georges Friedmann sprach 1936 von einer zweiten industriellen Revolution und datierte sie auf die Jahrzehnte um 1900.
Wichtig war das Zusammenwirken mehrerer Bereiche: Textilmaschinen erhöhten die Nachfrage nach präzisen Eisenteilen; Steinkohle und Koks machten höhere Temperaturen und größere Energiemengen verfügbar; Dampfmaschinen lieferten Kraft unabhängig von Wasserstandorten; Werkzeugmaschinen ermöglichten die genaue Herstellung anderer Maschinen; neue Verfahren der Eisen- und Stahlproduktion machten Werkstoffe billiger und besser verfügbar.
Textiltechnik
Bei der Tuchherstellung ließen sich vor allem zwei Arbeitsschritte mechanisieren: das Spinnen der Fasern zu Garn und das Weben der Garne zu Tuch. Das Weben mit dem Trittwebstuhl war seit dem Hochmittelalter ein eigenständiger Beruf, meist von Männern ausgeübt. Das Spinnen mit Spinnrad oder Handspindel wurde dagegen meist von Frauen erledigt. Häufig geschah die Produktion im Verlagssystem: Ein Verleger beschaffte Rohstoffe und zahlte für eine bestimmte Menge Garn einen festen Preis.
Zuerst war das Spinnen der Engpass. Deshalb entstanden einfache Spinnmaschinen mit vier Spindeln. Als dadurch genügend Garn vorhanden war, wurde das Weben zum Engpass, und Webmaschinen wurden entwickelt. Danach verlagerte sich der Engpass wieder zum Spinnen, was zu Maschinen mit deutlich mehr Spindeln führte, schließlich zu Spinnmaschinen mit über 100 Spindeln je Maschine.
Frühe Spinn- und Webmaschinen bestanden größtenteils aus Holz, vor allem ihre Gestelle. Nur wenige Teile waren aus Kupfer oder Eisen. Anfangs wurden sie mit Wasserrädern angetrieben; daran erinnert der Name der Waterframe von Richard Arkwright aus dem Jahr 1771. Beim Bau wirkten mehrere Berufsgruppen mit, besonders Mühlenbauer, die mit Wellen, Zahnrädern und anderen Formen der Kraftübertragung vertraut waren.
Mit größeren Maschinen und mehr Spindeln wurde Holz zunehmend durch Eisen ersetzt, weil Eisen Kräfte und Drehmomente besser übertragen kann und weniger Reibung erzeugt. Dadurch stieg der Bedarf an identischen Eisenteilen wie Schrauben, Spindeln und Zahnrädern. Als Wasserräder nicht mehr genügend Leistung lieferten, wurden sie durch Dampfmaschinen ersetzt. So entstanden die ersten Textilfabriken.
Kohle, Bergbau und Eisen
Kohleförderung ist seit der keltischen Besiedelung belegt, doch zunächst wurde Kohle kaum als Brennstoff genutzt. Meist verwendete man Holz oder Holzkohle, etwa zum Heizen, in der Töpferei, Glas- und Porzellanproduktion, Ziegelherstellung und Metallgewinnung. Bei Eisen ist der hohe Schmelzpunkt von 1.535 °C wichtig: Holz reichte dafür oft nicht aus oder wurde in sehr großen Mengen verbraucht. 1698 begann man bei Mücheln/Braunsbedra nach Braunkohle zu graben; dies gilt als „Geburtsstunde“ des Mitteldeutschen Braunkohlereviers. Noch wichtiger wurde Steinkohle, weil sie etwa doppelt so hohe Energiedichte wie trockenes Holz besitzt und höhere Temperaturen für die Eisenverarbeitung ermöglicht. Sie wurde außerdem Brennstoff für Dampfmaschinen.
Im Bergbau wurde mit zunehmender Tiefe die Wasserhaltung zum zentralen Problem: Sobald Schächte unter den Grundwasserspiegel reichten, musste eindringendes Wasser abgepumpt werden. Deshalb beschäftigten sich auch Naturwissenschaftler mit Pneumatik und Hydraulik, um Pumpen zu verbessern. Außerdem entstanden Bergschulen für Bergleute und Bergakademien für Ingenieure. Technisch wichtig waren der Übergang vom Stollen- zum Tiefbau, der Einsatz der Dampfmaschine zur Wasserförderung und bessere Transportmittel. In Deutschland wurden zu Beginn des 19. Jahrhunderts vermehrt Seigerschächte gebaut, also senkrechte Schächte, die größere Tiefen und ergiebigere Lagerstätten erschlossen. In England nutzte man bereits seit Beginn des 18. Jahrhunderts Newcomens Dampfmaschinen zum Abpumpen von Wasser. Mit steigenden Tiefen und Fördermengen ersetzten Drahtseile die überlasteten Hanfseile. Für den Transport wurden erst Holz-, später Eisenschienen verlegt; über Tage zogen Pferde die Wagen, bis sie durch Dampfeisenbahnen abgelöst wurden.
Auch die Eisengewinnung änderte sich stark. In vorindustrieller Zeit verlief sie in drei Stufen: Zuerst wurde aus Eisenerz Roheisen gewonnen, dann beim Frischen von unerwünschten Elementen gereinigt, danach unter dem Schmiedehammer bearbeitet, um den Werkstoff gleichmäßiger zu machen und letzte Verunreinigungen auszutreiben. In der Renaissance kamen Eisenerz und Holzkohle in Hochöfen; durch von Wasserrädern angetriebene Blasbälge wurde Sauerstoff zugeführt. Bei etwa 1100 °C entstand festes Roheisen, das fast keinen Kohlenstoff enthielt und weich sowie schmiedbar war.
Weil Holzkohle knapp und teuer wurde, versuchte man Steinkohle einzusetzen. Diese war jedoch durch Schwefel und andere Stoffe verunreinigt, die Eisen hart und spröde machten. Abraham Darby setzte sich mit dem Verkoken durch: Steinkohle wurde unter Sauerstoffabschluss erhitzt. So entstand Koks für den Kokshochofen. Dabei mussten viele Detailprobleme gelöst werden, etwa das Verklumpen des Kokses, Ofenverstopfungen, passende Ofenauskleidungen und Zuschlagstoffe. Die Verbreitung des Kokshochofens in England setzte um 1760 ein.
Stahlverfahren
Ein entscheidender Schritt war das Frischen mit Steinkohle. Das Puddelverfahren, 1784 von Henry Cort patentiert, trennte das Roheisen vom Schwefel der Steinkohle: Das Roheisen lag auf einem Herd, darunter brannte ein Steinkohlefeuer. Auf dem Herd verbrannte der Kohlenstoff im Roheisen in mehreren Stunden mit dem Sauerstoff der Luft. Wenn der Kohlenstoffgehalt sank, stieg die Schmelztemperatur des Eisens, und es bildeten sich feste Eisenklumpen, die Luppe. Ein Arbeiter musste sie ständig drehen und wenden, damit der Kohlenstoffgehalt überall gleichmäßig sank. Das verlangte Kraft und Erfahrung. Anschließend wurde das Material als Halbzeug, etwa Barren, verkauft oder zu Schienen und Platten gewalzt. Ab etwa 1860/1870 wurde dadurch das Gusseisen verdrängt.
Das Puddeln blieb aber ein Engpass, weil es sich nicht gut mechanisieren ließ und die Ofengröße durch die Kraft der Arbeiter begrenzt war. Die entscheidende Verbesserung brachte Bessemer. Er füllte Roheisen in einen Konverter und blies von unten Luft durch Düsen ein. Dadurch verbrannte der Kohlenstoff des Roheisens mit dem Sauerstoff der Luft innerhalb von nur 20 Minuten. Das Bessemer-Verfahren ermöglichte nach der Mitte des 19. Jahrhunderts in England die Verarbeitung von flüssigem Stahl und war maschinisierbar.
Eine Variante für phosphorhaltige Erze, wie sie in Deutschland häufig waren, war das Thomas-Verfahren. Daneben gab es das Siemens-Martin-Verfahren. Dabei wurden in einem besonderen Ofen Temperaturen erzeugt, die über der Schmelztemperatur von Stahl lagen. Siemens-Martin-Stähle waren qualitativ besser als Bessemer- und Thomasstahl, aber wegen der aufwändigeren Öfen etwas teurer. Alle drei Verfahren konkurrierten miteinander, bis sie in der Mitte des 20. Jahrhunderts durch das LD-Verfahren abgelöst wurden.
Metallverarbeitung und Werkzeugmaschinen
Ein großer Teil des Stahls aus der Schwerindustrie wurde im Maschinenbau weiterverarbeitet: zu Dampfmaschinen, Werkzeugmaschinen wie Fräs-, Bohr- und Drehmaschinen, Maschinenhämmern, Dampflokomotiven, Eisenbahnwagen, Spinn- und Webmaschinen. Frühe Maschinenbaufabriken stellten oft mehrere Maschinentypen in kleineren Stückzahlen her. Erst gegen 1900 setzte sich die Serienproduktion stärker durch. Besonders wichtig waren Werkzeugmaschinen, weil mit ihnen andere Maschinen hergestellt wurden. Der Bedarf der Textilindustrie an vielen gleichen Eisenteilen beschleunigte ihre Entwicklung.
Bohrwerke entstanden aus der Kanonenherstellung: Bronzeformen wurden gegossen und anschließend ausgebohrt. Später fertigte man damit auch Zylinder der ersten Dampfmaschinen. Diese bestanden aus hartem Gusseisen und hatten etwa einen Meter Durchmesser, was hohe Genauigkeit schwierig machte. James Watt fand erst nach zehn Jahren mit John Wilkinson einen Fabrikanten, der solche Zylinder herstellen konnte. Das verwendete Bohrwerk wurde von einem Wasserrad angetrieben; der Bohrer war vor und hinter dem waagrecht liegenden Zylinder gelagert, um Schwingungen zu vermeiden. Im 19. Jahrhundert kamen dampfgetriebene Bohrmaschinen hinzu, etwa Säulenbohrmaschine, Ständerbohrmaschine und Radialbohrmaschine.
Drehmaschinen waren wichtig für Schrauben, Wellen, Spindeln, Achsen und Flansche. Ihre Vorläufer kamen aus der Holzbearbeitung sowie aus Uhrenbau und Feinmechanik. Für Gewinde war die Leitspindeldrehbank wichtig: Die Leitspindel bewegt das Werkzeug pro Umdrehung des Werkstücks um eine konstante Strecke, sodass ein gleichmäßiges Gewinde entsteht. Henry Maudslay verband wichtige Konstruktionsdetails in einer Maschine, die Eisen so präzise bearbeiten konnte wie Messing: Sie hatte ein eisernes Gestell, Dampfmaschinenantrieb, Werkzeughalter und Leitspindel.
Für ebene Teile wie Maschinenbetten und Führungen verwendete man lange Hobelmaschinen. Sie entwickelten sich ähnlich wie Drehmaschinen, waren maschinell angetrieben und hatten einen Werkzeughalter. Ab dem 19. Jahrhundert wurden sie durch Fräsmaschinen ersetzt, die keine direkten Vorläufer hatten, sondern neu entwickelt wurden. Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts gab es für alle wichtigen Fertigungsverfahren passende Werkzeugmaschinen. Nach 1850 wurden Nähmaschinen, Fahrräder und später Kraftfahrzeuge wichtige Produkte. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erhielt zunehmend jede Maschine einen eigenen Elektromotor statt eines gemeinsamen Dampfmaschinenantriebs.
Kraftmaschinen und Energie
Vor der Industrialisierung waren Wind- und Wassermühlen die wichtigsten Antriebsmaschinen. Wassermühlen waren seit der Spätantike bekannt und verbreiteten sich im Frühmittelalter in Europa. Windmühlen kamen seit dem 12. Jahrhundert vor allem in Küstenregionen hinzu. Sie dienten nicht nur zum Mahlen von Getreide, sondern auch im Bergbau zur Wasserförderung, zum Bewegen von Schmiedehämmern und Blasebälgen, zum Walken von Tuch sowie als Antrieb für frühe Textil- und Werkzeugmaschinen. Auch nach der Erfindung der Dampfmaschine wurde Wasserkraft weiter ausgebaut; in Deutschland erreichte die Nutzung der Wassermühlen erst 1880 ihren Höhepunkt.
Thomas Newcomen baute 1712 erstmals eine funktionierende Dampfmaschine. Sie wurde zunächst im Bergbau eingesetzt. Ein mit Steinkohle befeuerter Kessel erzeugte Wasserdampf, der unter dem Zylinder kondensierte. Der dadurch entstehende Unterdruck führte dazu, dass der äußere Luftdruck den Kolben nach unten drückte. Wegen ihres niedrigen Wirkungsgrades verbreitete sich Newcomens Maschine nur langsam.
James Watt verbesserte die Dampfmaschine in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts entscheidend. Er nutzte Dampf, um über dem Kolben Überdruck zu erzeugen, und ließ den Dampf nicht mehr direkt unter dem Zylinder kondensieren, sondern in einem separaten Kondensator. Als 1800 sein Patent auslief, verbreitete sich die Dampfmaschine in ganz Europa. Sie trieb zahlreiche Gewerbe an, besonders Textilmaschinen, Schiffe und Lokomotiven. Im 19. Jahrhundert wurde der Kesseldruck immer weiter erhöht, wodurch Drehzahlen und Leistung stiegen.
Später wurden Dampfmaschinen durch Elektro- und Verbrennungsmotoren abgelöst. Der Elektromotor wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt und wandelt elektrische in mechanische Energie um. Umgekehrt wirkt der Generator, der elektrische Energie erzeugt. Weil elektrische Energie schneller, weiter und verlustärmer übertragen werden kann als mechanische Energie, setzte sich der Elektromotor im Gewerbe durch; bei gleicher Leistung ist er außerdem wesentlich kleiner als eine Dampfmaschine. Diesel- und Ottomotoren entstanden an der Wende zum 20. Jahrhundert und wurden vor allem als Fahrzeugantriebe wichtig.
