52° 28′ 58.47″ N, 1° 53′ 9.81″ W
Die Stadt Birmingham in Mittelengland war einst das Kraftwerk der Welt – hier schmiedeten Matthew Boulton und James Watt eine Partnerschaft, um Watts effiziente Dampfmaschinen zu bauen. Heute ist Birmingham immer noch eine wichtige Industriestadt (auch wenn nun Dienstleistungen wie das Bankgewerbe die lokale Wirtschaft dominieren). Die Stadt liegt im Zentrum des Ballungsgebiets West Midlands, dem zweitgrößten Ballungszentrum Großbritanniens.
Zu Ehren von Boulton und Watt und des industriellen Erbes der Stadt besitzt Birmingham nun im Stadtzentrum ein brandneues Wissenschaftsmuseum, den sogenannten Thinktank.
Das Museum ist in vier Ebenen unterteilt, die die (vielleicht etwas zu niedlichen) Namen Thinkback, Thinkhere, Thinknow und Thinkahead tragen. Auf der ersten Ebene (Thinkback) ist die industrielle Geschichte Birminghams in drei Teilbereiche namens »Move It«, »Making Things« und »Power Up« aufgeteilt.
Der Move-It-Bereich ist dem Straßen-, Kanal-, Eisenbahn- und Vorortverkehr gewidmet. Zu den Exponaten gehören eine elektrische Straßenbahn aus dem frühen 20. Jahrhundert, der Foden-Dampfwagen (ein dampfgetriebener Lastwagen) und die Railton Special. Die Railton Special brach 1938 mit 568 Km/h den Geschwindigkeitsrekord an Land.
Der Bereich Making Things erzählt die Fabrikationsgeschichte Birminghams und zeigt Maschinen und Güter, die im 19. und 20. Jahrhundert in dieser Gegend hergestellt wurden. Hierzu gehört Frederick Wolseleys Schafschermaschine und eine moderne Schokoladen-Verpackungsmaschine (in Aktion), die von Cadbury (einem weiteren lokalen Unternehmen) verwendet wurde.
Den Star der Ausstellung findet man aber im Power Up-Bereich – Boultons und Watts Smethwick Engine, die von 1779 bis 1892 (Abbildung 78.1) in Betrieb war. Sie wurde genutzt, um Wasser aus dem nahen Smethwick zurück in den Birmingham-Kanal zu pumpen. Da sich der Kanal über eine Reihe von Schleusen um fast 150 Meter absenkte, wurde ein Großteil des Wassers genutzt, um Schiffe zu bewegen. Die Smethwick Engine pumpte das Wasser zurück, damit der Kanal gefüllt blieb. Heute befindet sie sich im Thinktank und dampft wieder.
Thinktank besitzt eine Reihe weiterer funktionierender Maschinen, die regelmäßig in Betrieb sind, allerdings nicht jeden Tag, da sonst der Verschleiß zu hoch wäre. Die Betriebszeiten der einzelnen Maschinen können Sie im Museum erfahren.
Die Maschine von Boulton und Watt
Die ersten einsetzbaren Dampfmaschinen wurden in den frühen 1700ern von Newcomen entworfen (siehe Kapitel 45), waren aber aufgrund der Art und Weise, wie der Dampf im Zylinder abgekühlt wurde, recht ineffizient. James Watt änderte das Design der Dampfmaschine in einem wesentlichen Punkt: Er lagerte die Kondensation des genutzten Dampfs in einen separaten Zylinder aus. Er führte auch die Doppelwirkung ein (Abbildung 78.2), bei der der Kolben durch den Dampf in beide Richtungen angetrieben wird, und er optimierte die Maschine mit einer Methode zur automatischen Drehzahlsteuerung und einer Methode zur Erzeugung einer Auf/Ab-Bewegung, um so die entsprechende Rotation zu erzielen.
Abbildung 78.2 Watts Dampfmaschine mit Doppelwirkung, sekundärem Kondensator und Vakuumpumpe am Boden
Newcomens Dampfmaschine drückte einen Kolben in einem Zylinder nach oben. Dann wurde Wasser eingespritzt, um den Dampf zu kondensieren, was zu einem partiellen Vakuum führte, durch den der atmosphärische Druck den Kolben wieder nach unten trieb. Watts große Innovation bestand darin, die Kondensation des Dampfes in einen eigenen Zylinder auszulagern. Dadurch wurde ein wesentlicher Grund für die Ineffizienz der Newcomen-Maschine eliminiert – der Hauptzylinder musste nicht mehr gekühlt und daher auch nicht wieder erhitzt werden, wenn neuer Dampf einströmte.
Watts sekundärer Kondensator wurde durch eine kleine Pumpe leer gepumpt, die mit der Hauptmaschine verbunden war, sodass Dampf aus dem Zylinder einströmen konnte, wenn ein bestimmtes Ventil geöffnet war. Der gesamte Kondensator wurde ständig gekühlt und war dazu in Wasser getaucht. Der hier einströmende Dampf kondensierte, wodurch ein partielles Vakuum im Zylinder erzeugt wurde. Der atmosphärische Druck drückte den Kolben dann wieder nach unten.
Als nächstes entwickelte Watt die Kolben-Doppelwirkung. Statt den atmosphärischen Druck nur aus einer Richtung auf den Kolben wirken zu lassen, wurde der Dampf nun in beiden Richtungen genutzt. Ein entsprechendes System aus Ventilen leitete den Dampf an beide Enden des Zylinders. Doch diese einfache Idee führte zu einem riesigen Problem – bei der Newcomen-Maschine war der Kolben mit einer Kette verbunden, die wiederum mit dem Balancier verbunden war. Doch da der Kolben nun Kraft in beiden Richtungen entwickeln sollte, war dazu eine feste Verbindung nötig, und diese musste die absolut gerade Bewegung des Kolbens umsetzen können.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte Watt sein Parallelogramm, dass die Auf/Ab-Bewegung der Kolbenstange in eine identische Auf/Ab-Bewegung einer parallelen Stange umwandelte, die dann die eigentliche Arbeit übernahm. In Abbildung 78.2 nimmt das Parallelogramm die Bewegung des Kolbens auf und wandelt sie in eine Bewegung der mit der Vakuumpumpe verbundenen Stange um.
In Abbildung 78.3 ist die parallele Bewegung illustriert. Während sich der Kolben hebt und senkt, bewegt er die Ecken des Parallelogramms BCDE. Bei allen Eckpunkten des Parallelogramms handelt es sich um flexible Verbindungen. BC wird zur Stange KC verlängert, die sich um den Punkt A dreht. Der Winkel des Parallelogramms ändert sich mit der Bewegung des Kolbens.
Um die Bewegung des Punktes F (mit dem das parallele Gestänge verbunden ist, damit Leistung erzielt wird) einzuschränken, wird das Parallelogramm über den Winkel E mit einem festen Punkt G verbunden. Während sich der Kolben bewegt, beschreibt die Bewegung von F eine acht. Dies führt zu einer fast geraden Linie.
Um die Drehzahl der Maschine zu kontrollieren, nutzte Watt einen Fliehkraftregler (Abbildung 78.4), der aus zwei Metallkugeln bestand, die über ein Gestänge miteinander verbunden waren und die sich nach außen bewegten, wenn sich das Gestänge drehte. Der Regler wurde mit einem Ventil in der Maschine verbunden, das den in den Zylinder eintretenden Dampf regulierte, wodurch die Drehzahl automatisch gesteuert werden konnte. Während sich die Drehzahl erhöhte, bewegten sich die Kugeln nach außen und reduzierten den eintretenden Dampf. Daraufhin wurde die Maschine langsamer und die Kugeln sanken herab, wodurch wieder mehr Dampf eintreten konnte
Schließlich musste noch die Auf/Ab-Bewegung in eine Rotation des Schwungrades umgewandelt werden, damit die Kraft einfach über Riemen transportiert und für die Anlagen verwendet werden konnte. Zu diesem Zweck entwickelte Watt das Planetengetriebe (Abbildung 78.5). Die Auf/Ab-Bewegung des Kolbens wird durch ein kleines Zahnrad, das sich um ein Zahnrad bewegt, das fest mit dem Schwungrad verbunden ist, in eine Drehbewegung umgewandelt. Dieses kleine »Planetenzahnrad« rotiert nicht um die eigene Achse, sondern ist mit dem Gestänge fest verbunden, und überträgt so die Bewegung des Kolbens.
Dank dieser wichtigen Innovationen (und anderer, beispielsweise des »Steam Jacket«, der den Zylinder mit Dampf umspülte, um ihn warm zu halten), waren die Dampfmaschinen von Boulton und Watt sehr effizient und wurden während der Industriellen Revolution zum Standard bei der Dampfkraft.
Der thinkhere-Bereich konzentriert sich auf die Geschichte Birminghams, von den Anfängen, wie der kleine Hamlet sie im Domesday Book festhielt, über die Industrielle Revolution bis heute. Die thinknow-Ausstellung ist der modernen Technik gewidmet und eignet sich besonders für Kinder. Es gibt eine Galerie namens »Things about Me«, die Kindern die Funktionsweise des Körpers erklärt und Themen wie Verdauung, Muskeln, Skelett, Gehirn und auch Sinne, Atmung und das Wachstum umfasst.
Im thinkahead finden Sie schließlich ein Planetarium, bei dem eine digitale Projektion für die vielen verschiedenen Präsentationen verwendet wird. Hier sind auch einige Vorführungen zu Himmelskörpern, die man nachts am Himmel über Birmingham sieht, enthalten.
Der Besuch des Planetariums kostet extra, und man muss im Voraus buchen.
Informationen zum Thinktank-Musem finden Sie unter http://www.thinktank.ac/.