Am 29. November 1706 übersandte Papin ein Exemplar dieser Druckschrift
an Leibniz mit der Bitte, dieser möge sich über deren Inhalt äußern.
Leupold gibt in seinem im Jahre 1724 erschienenen ~Theatrum Machinarum
generale~ § 389 folgende Beschreibung dieser zweiten Papinschen
Maschine:
„~A~ (Abb. 25) ist die küpfferne Blase oder Kugel, im Diametro 20
Zoll, hoch 26 Zoll. Diese wird in einen Ofen von gebrannten Ziegeln
eingemauert, daß die Hitze die gantze Kugel wohl treffen kan. Gemeldte
Kugel soll 2 Zoll obenher von der Wand abstehen. Aus dieser Kugel
gehet oben eine krumme Röhre ~_BB_~, die in der Mitte ein Epistomium
oder Hahn ~E~ hat. Die Röhre ~B~ soll noch etwas zugleich im Feuer mit
stehen. Oben auf in ~C~ ist ein perpendikulairer Tubus _~CC~_, durch
welchen man das Wasser eingießen kann, der so lang ist, daß er durch
das Gewölbe des Ofens durchlanget. Damit aber die Gewalt der Lufft
nicht herausdringet, ist solches mit einem Deckel wohl zu verwahren;
allein daß auch nicht etwa die Gewalt und Stärke der expandierten
Lufft das Gefäß ~A~ gar zersprengen möchte (wie es dem Papino selbst
begegnet seyn soll) so lieget auf dem Deckel des Loches ein Hebel
~_ab_~, an welchen ein Gewicht ~C~ hanget, wenn anders die Gewalt so
groß wird, sie ehr den Deckel mit dem Gewicht hebet als daß sie die
Kugel zersprenget. Das Rohr ~_BB_~ gehet in ein ander Cylindrisches
Gefäß ~_DD_~, dahin die expandirte Lufft aus ~A~ durch das Epistomium
~E~ gelassen wird. Das kupfferne Gefäß ~_DD_~, so statt der Antlia oder
des Stiefels, ist weit im Diametro 20 Zoll, und der Embolus oder Kolben
15 Zoll hoch, und muß das Gefäß so weit seyn, daß noch 200 Pfund Wasser
Raum haben.
Ferner ist ein Tubus ~_GG_~, durch welchen das Wasser in den Cylinder
~D~ gelassen wird, der Diameter soll 7 Zoll weit seyn und 6 Zoll höher
stehen, als das Epistomium ~n~, durch welches das überflüssige Wasser
in ~D~ wieder ablaufen kan. Der Tubus ~G~ aber gehet in die krumme
Röhre ~_HH_~, und diese in den Cylinder ~_DD_~. Der Embolus oder Kolben
~_FF_~ ist ein hohler Cylinder von Metall, und wohl verwahret, daß kein
Wasser hineinkan, und so leicht, daß er auf dem Wasser schwimmt. In
diesem Kolben ist ein hohler Cylinder ~_ii_~, der oben in ~i~ offen,
unten aber zugemacht ist. Durch die Achse dieses Cylinders gehet dieser
Tubus hindurch bis auf den Boden, und ist so verwahret, daß kein Wasser
durch kan.
Dieser Tubus dienet hierzu: Durch die Öffnung ~L~ wird ein heißes oder
glüendes Eisen gelassen, welches im oberen Theil der Antlia bleibet,
welches nützet, daß die nassen Vapores aus der Kugel ~A~, wenn sie
darauf stossen, sich mehr erhitzen, und ausbreiten. Die Öffnung ~L~
wird gleichfalls wie ~C~ mit einem wohl eingepasseten metallenen Deckel
verwahret, und durch den Hebel und Gewicht ~a~ aufgepresset, welches
Gewichte man nach Verlangen hin und her schieben kan, nachdem die
Schwehre nöthig. An dem engen Theil des Tubi ~H~ stehet ein anderer
Tubus ~_MM_~, welcher in einen größeren und weitern Cylinder ~_NN_~,
der allenthalben geschlossen ist, und nur in ~X~ eine Öffnung hat,
gehet. Der Cylinder ~M~ ist 3 Fuß hoch und 23 Zoll weit, 1 Fuß Höhe
hält 200, das gantze Gefäß aber 600 Pfund Wasser, also, daß wenn die
200 Pfund Wasser aus dem Cylinder ~_DD_~ hinangetrieben werden, die
Lufft in ~_NN_~ um ⅛ zusammengepresset wird, gleich wie das Wasser von
64 Fuß hoch thut. Damit nun das Wasser nicht wieder durch die Röhre
~_GG_~ zurück kan, ist in ~S~ ein Ventil, desgleichen auch bey ~T~. Bei
~X~ ist ein Rohr angemachet, aus dem Cylinder ~N~ 2 Zoll breit, durch
welches das Wasser ~N~ in die Höhe steigen soll. Es ist darum so enge,
daß das Wasser erstlich in 2 Secunden auslauffen kan, weil in jeden 2
Secunden eine neue Operation oder neues Wasser folgen soll.
Hierauf, saget der Autor, würde man sehen, daß eine solche Machine mit
schlechten Kosten zu machen sey, und dennoch dadurch ein Mensch, so
viel als sonst fünffzig verrichten; weil nemlich alle 2 Secunden 200
Pfund Wasser 40 Fuß hoch könnten gebracht werden. Ja, er vermeynete, er
wolle es auch dahin bringen, wenn alles grösser und stärker gemachet
würde, daß einer so viel als sonst hundert ausüben würden.“
Der Arbeitsgang dieser zweiten Papinschen Maschine vollzog sich
folgendermaßen: Durch den Trichter ~G~ wird Wasser in den Zylinder
~_DD_~ eingelassen; infolgedessen hebt sich der Kolben nach aufwärts.
Hat dieser seine Höchstlage erreicht, wird der Lufthahn ~n~ geschlossen
und durch Öffnen des Dampfhahns ~E~ Dampf oberhalb des Kolbens in
den Zylinder ~_DD_~ eingeführt. Der Dampf drückt den Kolben abwärts,
infolgedessen das unterhalb des letzteren befindliche Wasser in dem
mit Ventil ausgestatteten Steigrohr ~M~ aufwärts gefördert wird.
Alsdann wird der Dampf abgesperrt, der Lufthahn ~n~ wiederum geöffnet
und von neuem Wasser in den Trichter ~G~ geschüttet, worauf sich
der Vorgang wiederholt. Von der Saveryschen Maschine unterscheidet
sich Papins Maschine wesentlich dadurch, daß sie die großen bei der
Berührung des Dampfes mit dem Wasser auftretenden Dampfverluste durch
Zwischenschaltung des Kolbens zwischen Dampf und Wasser vermeidet. Zur
weiteren Verhütung von Wärmeverlusten wurde der hohle Kolben durch
einen erwärmten eisernen Bolzen geführt, und der verbrauchte Dampf
wurde nicht niedergeschlagen, sondern durch den Lufthahn ~n~ abgeführt
und zur Vorwärmung des in den Trichter ~G~ eingebrachten Wassers
verwertet.
Papin blieb nun aber nicht dabei stehen, diese Maschine nur zum Heben
von Wasser zu benutzen, er hatte vielmehr schon deren Verwendung für
_motorische_ Zwecke im Auge. Zu diesem Zwecke umgab er das Steigrohr
~M~ mit einem Windkessel ~_NN_~, in welchem das gehobene Wasser
ein Kissen stark gepreßter Luft erzeugte, die durch das Rohr ~X~
fortgeleitet und zum Antrieb eines Schaufelrades benutzt werden konnte.
Des weiteren wollte er die Maschine zum Antrieb von Schiffen benutzen.
Diese Verbesserungen beruhten auf einer eingehenden Kritik, die Papin
in der Schrift „~Ars nova~“ der Saveryschen Maschine angedeihen ließ.
Von großem Interesse sind die Verbesserungsvorschläge, die _Leibniz_
machte und die so erheblich sind, daß sie als selbständige Erfindungen
gelten müssen. Er vermißte eine Vorrichtung, um den Dampfkessel wieder
mit Wasser füllen zu können. Zu diesem Zweck schlug er einen mit einer
Aussparung versehenen Hahn vor. Den aus dem Hahn ~n~ abziehenden Dampf
wollte er mittels eines Rohres unter eine Kappe leiten, welche den
Windkessel ~_NN_~ so weit umgab, als dieser für gewöhnlich mit Luft
gefüllt war. Hierdurch sollte der Windkessel abwechselnd erwärmt werden
und jeweilig, wenn er Wasser in das Steigrohr zu pressen hatte, eine
größere Spannkraft erhalten. Die überflüssige Wärme und der Rauch der
Feuerung sollte zur Vorwärmung des Wassers im Trichter ~G~ und im Rohr
~H~ benutzt werden. Schließlich meinte er, daß sich ein Mechanismus
erfinden lasse, um die Hähne ~E~ und ~n~ durch die Maschine richtig zu
bewegen, zu steuern. Hier begegnen wir also bereits einer Anregung,
_die Steuerung der Maschine durch diese selbst zu bewirken_.
Als Papin mit seiner Druckschrift über seine neue Maschine vor die
Öffentlichkeit trat, hatte er jene bereits Versuchen unterzogen.
Dieselben wurden im Treppenhause des im Jahre 1695 erbauten Kunsthauses
zu Kassel vorgenommen und ihre Ergebnisse von Papin am 19. August
1706 Leibniz mitgeteilt. Diese Versuche mißlangen zunächst teilweise,
weil der für den Aufbau des Steigrohres verwendete Kitt, wie Papin
vorausgesehen hatte, dem Druck des Wassers nicht widerstehen konnte,
infolgedessen große Wasserverluste eintraten. Trotzdem aber konnte
Papin mit Genugtuung feststellen, daß das gepumpte Wasser bis zu einer
Höhe von 70 Fuß emporstieg. Als man versuchte, das Steigrohr neu zu
verkitten, fiel einiger Kitt in das Bodenventil des Steigrohres, so
daß die Versuche abgebrochen werden mußten. Nunmehr wurde ein anderes
Steigrohr, und zwar aus Kupferplatten, hergestellt. Als dieses fertig
war, verließ aber leider der Landgraf Kassel und besichtigte nach
einmonatlicher Abwesenheit die Maschine nur abends, wo Versuche nicht
vorgenommen werden konnten. Auch nahmen ihn andere Dinge vollständig
in Anspruch, so daß Papin seine geplanten Verbesserungen immer und
immer wieder hinausschieben mußte. In den ersten Monaten des Jahres
1707 wurde sogar das neue Steigrohr entfernt und zu anderen Zwecken
benutzt. Dies erregte Papins Unzufriedenheit in so hohem Maße, daß er,
um sich wieder nach England begeben zu können, den Landgrafen um seine
Entlassung bat, die ihm denn auch gewährt wurde.
Mit welchem Eifer und mit welchem Maße innerer Überzeugung Papin an den
Bau dieser seiner zweiten Maschine herangegangen ist, geht aus einem
Brief hervor, den er am 23. März 1705 an Leibniz richtete. Nachdem
er berichtet hat, daß der Landgraf durch die von Leibniz seinerzeit
übersandte Zeichnung der Saverymaschine zur Fortsetzung der auf die
Dampfmaschine bezüglichen Versuche sich bewogen gefühlt habe, fährt er
fort: „Ich kann Sie versichern, daß ich, je mehr ich vorwärtskomme,
immer mehr diese Erfindung zu schätzen lerne, die, vom theoretischen
Standpunkte aus betrachtet, _die Kräfte der Menschen bis ins Unendliche
vermehren muß_; aber vom praktischen Standpunkte aus glaube ich
ohne Übertreibung sagen zu können, daß mittels derselben ein Mensch
ebensoviel wird leisten können, als hundert Menschen ohne dieselbe.
Ich gebe zu, daß es noch Zeit erfordern wird, um zu diesem Grade der
Vollkommenheit zu gelangen. Das einzige, was man bisher getan hat, ist
die Aufdeckung der Eigenheiten der Maschine und der Erscheinungen,
denen sie unterworfen ist. Aber Seine Hoheit werden sie hinfort zu
einem nützlichen Zweck verwenden und hat mir den ehrenvollen Auftrag
gegeben, diese Maschine zum Antrieb einer Getreidemühle anzuwenden. Sie
können mir glauben, mein Herr, daß ich alles, was in meinen Kräften
steht, aufbieten werde, daß die Sache zu einem guten und erfolgreichen
Ende geführt wird, jedoch hat man hier mit der Schwierigkeit, tüchtige
Arbeiter zu finden, zu kämpfen. Ich hoffe jedoch, daß die Geduld mit
Gottes Hilfe alles glücklich überwinden wird. Und wenn man dann nach
der Getreidemühle jene Erfindung auf die Wasserfahrzeuge ausdehnen
könnte, so würde ich diese Erfindung für ungleich nützlicher halten als
die Auffindung der Längen auf dem Meere, nach der man schon so lange
Zeit sucht.“
Als Papin seinen erbetenen Abschied vom Landgrafen erhalten hatte,
ging er alsbald an die Vorbereitungen seines Umzuges nach London.
Sein schönstes Besitztum bestand in einem Schiffe, an welchem er nach
eigenen Angaben gebaute Schaufelräder angebracht und erprobt hatte.
Auf diese Erfindung setzte er große Hoffnungen, die er in England
erfüllen wollte. Dieses Schiff hat zu der weitverbreiteten irrtümlichen
Auffassung Veranlassung gegeben, Papin habe bereits ein Dampfschiff
besessen. Es wurde in den Jahren 1703 und 1704 erbaut, und am 13. März
1704 schrieb er ausdrücklich in einem an Leibniz gerichteten Briefe, er
habe dieses Schiff nicht derart eingerichtet, daß es durch die Kraft
des Feuers angetrieben werden könne, um nicht zu viele Dinge auf einmal
zu unternehmen.
Trotzdem daß Papin alle nur mögliche Vorsicht angewendet hatte, um
sich die Durchfahrt dieses Schiffes von Kassel zum Meere zu sichern,
wurde dasselbe dennoch von Schiffern zerstört. Dieser Verlust hat Papin
seiner schönsten Hoffnungen beraubt und ihm einen niemals wieder gut zu
machenden Schlag versetzt.
In London angelangt, bat er die ~Royal Society~, sie möge ihm
die Möglichkeit geben, die Leistungsfähigkeit seiner Maschine
mit derjenigen der Saveryschen Maschine zu vergleichen, wurde
aber abschlägig beschieden. Auch weitere Kränkungen blieben
dem erfolgreichen Bahnbrecher der Dampfmaschine nicht erspart.
Wahrscheinlich ist Papin in der ersten Hälfte des Jahres 1712 zu London
gestorben.
Kehren wir nunmehr zur Saveryschen Maschine zurück. Im Jahre 1706 wurde
die erste praktische Ausführung zu Broadwaters aufgestellt, explodierte
jedoch, wie wir bereits erwähnten. In demselben Jahre soll Savery ein
für Kassel bestimmtes Modell verbessert haben.
Die Zahl der nach und nach in Betrieb genommenen Saverymaschinen
nahm allmählich zu. Es erklärt sich dies leicht aus dem Umstande,
daß die stetig wachsende Bedeutung des englischen Kohlenbergbaues
gebieterisch nach einer Vervollkommnung der gebräuchlichen, höchst
mangelhaften Wasserhebevorrichtungen verlangte. Bisher hatte man sich
mit durch Menschen- oder Pferdekraft betriebenen Pumpen beholfen und
war hierbei schon hier und dort zu sehr umfangreichen Anlagen gediehen.
So befand sich in Cornwall die sogenannte „Turmmaschine“, die aus zehn
übereinander angeordneten oberschlächtigen Wasserrädern von je 20
Fuß Durchmesser bestand. Auch Windmühlen benutzte man zum Entwässern
der Bergwerke. Letztere versagten bei Windstille den Dienst, während
die Wasserräder erhebliche Mengen von Aufschlagwasser erforderten,
die bei Trockenheit nicht zur Verfügung standen. Die mit Tier- und
Menschenkraft angetriebenen Pumpen mußten durch Tag- und Nachtschichten
im Betriebe erhalten werden. Schließlich benutzte man auch Becherwerke
zum Heben des Wassers. Bei beträchtlicheren Förderhöhen war aber
deren Standfestigkeit so gering, daß infolge der Schwankungen des
Gestelles die Becher kaum zur Hälfte gefüllt oben anlangten und ein
immerwährender Regen in die Tiefe hinabrieselte.
Die erste größere Saverymaschine war die der ~York Building
Waterworks~. Hier gelangten sehr hohe Dampfdrucke, „8- bis 10mal so
groß als der Luftdruck“, zur Anwendung. Die entwickelte Hitze war
so groß, daß das gewöhnliche Weichlot schmolz und die Verbindungen
mittels Hartlot verlötet werden mußten.
Als Grund für die Verwendung dieser hohen Dampfdrucke gab Savery an,
daß er auf diese Weise die von dem Dampf getroffene Oberfläche des zu
hebenden Wassers schnell auf eine hohe Temperatur bringe und hierdurch
die Kondensation des Dampfes verhindere.
Gleichzeitig mit Savery und Papin hatte sich auch _Thomas Newcomen_
mit der Verbesserung der Dampfmaschine beschäftigt, und zwar in
Gemeinschaft mit _John Cawley_. Beide lebten in Dartmouth.
Die von beiden erfundene Maschine ist in Abb. 26 dargestellt. Oberhalb
des eingemauerten Dampfkessels ~A~ liegt der Dampfzylinder ~_PQ_~.
Beide sind durch ein senkrechtes Rohr ~_DE_~ miteinander verbunden. Der
Kolben ~R~ ist mittels einer Kette an dem einen Arme ~Z~ des Balanciers
~_ZaY_~ aufgehängt, an dessen anderem Ende das Pumpengestänge ~k~
und die Kolben ~_nml_~ angebracht sind. Das oben an der Säule des
Balanciers angebrachte Gefäß ~M~ enthält Kühlwasser, das durch das
Rohr ~_NN_~ und den Hahn ~K~ unterhalb des Kolbens ~R~ in den Zylinder
eingeführt werden kann und die Kondensation des Dampfes bewirkt.
Der Arbeitsgang der Maschine vollzieht sich in folgender Weise:
Befindet sich der Kolben in seiner tiefsten Stellung, so wird Dampf
von unten in den Zylinder eingelassen, und dieser Dampf hebt mit Hilfe
des Gegengewichtes ~_lmn_~ den Kolben. Hat dieser seine Höchstlage
erreicht, wird der Dampfzutritt gesperrt und der Kaltwasserhahn ~K~
geöffnet. Infolge der Kondensation des Dampfes drückt der Luftdruck den
Kolben nach unten und das Gegengewicht ~_lmn_~ nebst dem Pumpengestänge
~k~ wird gehoben. Nunmehr wird, nachdem für rechtzeitige Ableitung des
im Zylinder befindlichen Kondenswassers gesorgt ist, frischer Dampf in
den Zylinder eingeführt, und das Spiel wiederholt sich.
Die ~Abridgements~ geben an, daß die Newcomenmaschine eher erfunden
sei, als die Saverymaschine, jedoch erst im Jahre 1710 an die
Öffentlichkeit gelangt sei. Savery soll gegen das von Newcomen und
Cawley nachgesuchte Patent Einspruch erhoben haben. Newcomen habe
aber, da er Wiedertäufer war, von einem Streite um das Patent Abstand
genommen, und es sei dann, nachdem eine Einigung der drei Erfinder
erzielt war, diesen im Jahre 1705 ein gemeinsames Patent erteilt
worden. -- Die veröffentlichten Patente lassen aber ein solches
vermissen.
Zweifellos steht die Newcomenmaschine derjenigen Papins erheblich näher
als der Saverymaschine. Da Papin das Wesentliche seiner Erfindung im
Jahre 1690 bereits in den „~Actis Eruditorum~“ veröffentlicht hatte,
und da ferner Newcomen als ein Mann geschildert wird, der in Dartmouth
neben seiner Beschäftigung als Schmied und Eisenwarenhändler sich
schon seit Jahren für die Ausnutzung der Dampfkraft interessierte
und einschlägige Studien trieb, liegt die Annahme sehr nahe, daß er
Papins Arbeiten kannte und auf dem von diesem gewiesenen Wege vorwärts
strebte. Außerdem liegt die Annahme sehr nahe, daß er auch Saverys
Arbeiten kannte.
Den Anteil Cawleys an der Erfindung der Newcomenmaschine festzustellen,
ist sehr schwierig. Der Hauptanteil dürfte auf Newcomen entfallen, denn
dieser hatte bezüglich der Maschine mit dem bekannten Physiker Hooke im
Briefwechsel gestanden. Hooke riet ihm von der Anwendung der Papinschen
Anordnung ab, wies aber darauf hin, daß der Erfolg in erster Linie von
der schnellen Erzielung des Vakuums abhänge. Offenbar unter dem Einfluß
der Arbeiten Saverys gingen dann Newcomen und Cawley an die Lösung der
von Hooke als wesentlich hingestellten Aufgabe und führten diese in der
von uns beschriebenen Weise zu einem glücklichen Ende. Der Erfolg war,
daß sie alsbald Saverys Maschine stark in den Schatten stellten.
Der Versuch Newcomens und Cawleys, ihre Maschine zu Griff in
Warwickshire im Jahre 1711 in Betrieb zu setzen, scheiterte. Im Jahre
1712 aber erhielten sie den Bau einer Wasserförderungsanlage in
Bromsgrave für einen gewissen Back in Wolverhampton.
Die zu überwindenden Schwierigkeiten waren sehr groß. Das Öffnen und
Schließen der Hähne für den Zutritt des Dampfes und des Kühlwassers
erfolgte von Hand. Wir müssen hier zu unserer vorstehend gegebenen
Beschreibung noch ergänzend hinzufügen, daß unsere Abb. 24 bereits
die im Jahre 1713 angebrachte Einspritzkondensation aufweist.
Zunächst hatten Newcomen und Cawley die Kondensation des Dampfes durch
Außenkühlung des Dampfzylinders bewirkt. Auch das von Papin erfundene
Sicherheitsventil wurde bei späteren Ausführungen angebracht.
[Illustration: Abbildung 26. Dampfmaschine von Newcomen, Cawley und
Potter.