Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik

1450 verändert eine Erfindung die Welt: Das Buchdruckverfahren des Mainzer Johannes Gutenberg ermöglicht es, Bücher in hoher Stückzahl und relativ preiswert zu vervielfältigen. Die technische Grundlage für die geistigen, politischen und religiösen Veränderungen der nachfolgenden Jahrhunderte ist geschaffen. (Text: SWR)

Die alljährliche Nobelpreisverleihung in Stockholm ist ein mediales Großereignis. Jeder dieser Preise ist mit über einer Million Euro dotiert. Doch nur wenige wissen, dass die Preise von einem Mann gestiftet wurden, der als Erfinder des Dynamits und als einer der erfolgreichsten Unternehmer des 19. Jahrhunderts Geschichte machte. In Paris wird Nobel Assistent des Chemikers Theophil-Jules Pelouze. In dessen Labor wurde zuvor das Nitroglyzerin erfunden. Nobel umgeht das Problem der bis dahin unkontrollierbaren Explosion damit, dass er einen Initialzünder erfindet und sich patentieren lässt. Um zusätzlich die Gefahren beim Transport zu mindern, gründet er eigene Nitroglyzerinproduktionen in verschiedenen Ländern. Mit Hilfe von Kieselgur gelingt es ihm aber, das hochexplosive Sprengöl unempfindlich gegen Schläge und Erschütterungen zu machen. Wegen seiner enormen Sprengkraft nennt er diesen Sprengstoff „Dynamit“ – nach dem griechischen Wort für „Kraft“: „Dynamis“. (Text: SWR)

Ein Name steht für die Erfolgsgeschichte der Dampfmaschine: James Watt. Der englische Ingenieur hat sie nicht erfunden, aber er hat ihre Funktionsweise entscheidend verbessert. 1773 werden die ersten Watt’schen Dampfmaschinen produziert, doch Watt arbeitet bereits an Verbesserungen. Er will die Leistung der Dampfmaschine erhöhen, damit sie neben ihrer bisherigen Aufgabe als Pumpe auch für andere Einsatzgebiete taugt. Das gelingt Watt mit der doppelt wirkenden Dampfmaschine. Mit dieser Technik kann Watt beide Kolbenbewegungen, das Heben und das Senken, nutzen – eine wesentliche Leistungssteigerung. Auch 200 Jahre nach den ersten Einsätzen von Dampfmaschinen ist James Watt in unserem Alltag noch immer gegenwärtig: in der von ihm eingeführten Pferdestärke ebenso wie in der nach ihm benannten Einheit Watt beziehungsweise Kilowatt. (Text: SWR)

Otto von Guericke entwickelt das Barometer, ein Instrument zur Messung des Luftdrucks, und nutzt es für die Wettervorhersage – nur eines von vielen Ergebnissen seiner Forschungen über die Wirkung von Luft beziehungsweise die des Luftdrucks. Die von Guericke hierzu durchgeführten Experimente basieren darauf, dass es ihm gelingt, erstmals einen luftleeren Raum – ein Vakuum – zu erzeugen. Die enorme Kraft des Luftdrucks fasziniert Guericke. Um sie besser zu demonstrieren, ersinnt er 1661 einen spektakulären Versuch: Zwei Messinghalbkugeln verschließt er mit einem Lederring und Wachs.
Dann wird aus der Kugel die Luft herausgepumpt. Vier Männer auf jeder Seite vermögen es nicht, die beiden Halbkugeln wieder zu trennen. Der nur mehr von außen wirkende Luftdruck presst die Halbkugeln zusammen. Guericke hat endgültig bewiesen, dass ein Vakuum erzeugt werden kann und dass der Luftdruck eine ungeheure Kraft darstellt, die wir Menschen nur gewöhnlich nicht spüren, da sie von überall her gleichmäßig wirkt. (Text: SWR)

Einthoven erforscht in mehr als 5.000 Elektrokardiogrammen systematisch die elektrische Herzaktion von Menschen, aber auch die von Tieren. Aus einem in der Telegraphie gebräuchlichen Instrument entwickelt er ein Messgerät, mit dem er die äußerst kleinen Spannungsunterschiede auf der Haut mittels einer fotografischen Platte sichtbar machen kann. Mit Verbesserungen dieses Mess- und Anzeigesystems kann Einthoven schließlich jenes Instrument entwickeln, das zur Grundlage der modernen Kardiologie wird und den Zugang zur elektrischen Funktion des Herzens erschließt: den Elektrokardiograph, kurz EKG. (Text: SWR)

Alessandro Volta gelang es als Erstem, eine Energiequelle zu erfinden, die kontinuierlich elektrischen Strom produziert; mit dieser Erfindung wurde endgültig das elektrische Zeitalter eingeläutet. Volta schichtet Kupfermünzen und Zinkplättchen abwechselnd aufeinander und trennt diese durch eine in Salzwasser getränkte Lederscheibe. Als er die Enden der Volta’schen Säule mit einem Draht und seiner Hand zu einem Kreislauf verbindet, fließt elektrischer Strom. Damit hat Volta die erste Batterie erfunden. Obwohl die Entwicklung von Batterien mit schnellen Schritten voranschreitet, basiert die Funktionsweise heute noch immer auf der Voltasäule. (Text: SWR)

Dass Elektrizität auch in Wärme und Licht umgewandelt werden kann, ist für uns heute Alltag. In jedem elektrischen Gerät bewirkt der elektrische Widerstand eine Wärmeentwicklung. Ein Effekt, der schon sehr früh bekannt ist. Warum dies so ist, kann sich jedoch lange Zeit niemand erklären. Dies gelingt erst einem Mann, der viele Jahre darum kämpfen musste, als Wissenschaftler anerkannt zu werden: Georg Simon Ohm. Das Verhältnis zwischen der Stromstärke und der zugehörigen elektrischen Spannung ist konstant. Dieses konstante Verhältnis nennt Ohm „Widerstand“. Heute ist die zugehörige Formel als Ohm’sches Gesetz bekannt: „Der Widerstand ist gleich der Spannung geteilt durch die Stromstärke.“ Georg Simon Ohm zu Ehren wird der elektrische Widerstand mit seinem Namen bezeichnet. (Text: SWR)

Einen Zusammenhang zwischen den beiden Phänomenen Magnetismus und Elektrizität herzustellen, gelingt erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts: dem Wissenschaftler André-Marie Ampère. Er hält es für möglich, dass man zur gegenseitigen Anziehung von Materialien gar keine Magneten benötigt, sondern dass auch stromdurchflossene Drähte allein aufeinander eine Kraft ausüben. Um diese Kräfte zeigen zu können, entwickelt Ampère die Stromwaage. Dabei ziehen die beiden Leiter sich je nach Stromfluss an oder stoßen sich ab, wie zwei Magnete. Dieser Versuchsaufbau soll den Beweis für die Richtigkeit von Ampères Theorie geben. André-Marie Ampère begründet mit seinen Forschungen die Elektrodynamik. Auf Vorschlag des deutschen Physikers Helmholtz wird 1881 die Einheit der Stromstärke in Erinnerung an die großen Leistungen des Wissenschaftlers Ampère (A) genannt. (Text: SWR)

Niedriger Luftdruck am Boden heißt: Es ist ein Schlechtwettergebiet im Anzug. Der Mann, der das erkannt hat, lebte mitten in den Unruhen des 30-jährigen Krieges, vor über 350 Jahren – der Mathematiker, Philosoph und Gelehrte Blaise Pascal. Pascal wurde damals nur von seinem Vater unterrichtet, erwies sich aber schnell als Wunderkind. Pascal interessiert sich u. a. für den atmosphärischen Druck und findet heraus, dass auf eine bestimmte Flächeneinheit durch die Luftsäule der Atmosphäre ein bestimmter Druck wirkt. Durch Messung dieses Luftdrucks und seinen Schwankungen entdeckt er die Möglichkeit der Wettervorhersage mit Hilfe eines Barometers; auch in der Luftfahrt werden Pascals Arbeiten genutzt, denn Höhenmesser in Flugzeugen sind im Grunde ebenfalls Barometer, die die höhenabhängige Veränderung des Luftdrucks anzeigen. (Text: SWR)

Die ersten Flugzeuge waren Propellerflugzeuge: Sie sind einfach zu bauen und die erreichten Geschwindigkeiten waren Anfang des 20. Jahrhunderts ausreichend. Es ist der Brite Frank Whittle, der über einen Antrieb nachdenkt, der für mehr Geschwindigkeit geeignet wäre und bis in eine Höhe von mehr als 10.000 Meter arbeiten könnte. Seine geniale Idee: Er will den nötigen Schub direkt durch Verbrennung von Luft und Treibstoff in einer Brennkammer erzeugen. Anstatt die Abgase einfach verpuffen zu lassen, nutzt Whittle den entstehenden Abgasstrahl für den Vortrieb. Zur gleichen Zeit aber arbeitet Hans Pabst von Ohain in Deutschland an einem ganz ähnlichen Projekt: Er erfand den Turbinenantrieb. 1939 ist es soweit: Das erste Flugzeug der Welt mit Strahlturbinenantrieb erhebt sich zu einem tadellosen Probeflug in die Luft und läutet damit einen beispiellosen Siegeszug dieses Antriebs ein. (Text: SWR)

Anfang des 20. Jahrhunderts verschwinden die Dampfmaschinen nach und nach in die Museen: Dieselmotoren übernehmen ihre Rolle. Sie sind kleiner, effektiver und überall einsetzbar. Erfinder und Namensgeber des neuen Motors ist der Ingenieur Rudolf Diesel (1858–1913). Ihm gelingt es, innerhalb von 15 Jahren einen Motor zu entwickeln, der die Dampfmaschine ersetzen kann. 1898 ist in der Zündholzfabrik in Kempten ein erster Dieselmotor im Einsatz – der Beginn einer Erfolgsstory. Der Grund dafür liegt in der Effektivität des Motors. Er bringt bei gleichem Energieverbrauch mehr Leistung als alle anderen damals gebräuchlichen Maschinen.
Außerdem verursacht der Dieselmotor von Anfang an geringere Treibstoffkosten. 1903 fährt das erste dieselbetriebene Schiff, es folgen Diesel-Lokomotiven und sogar Diesel-Luftschiffe. Heute ist der Dieselmotor vor allem bei Schiffen die wichtigste Antriebsquelle. Im Straßenverkehr gibt es ihn erst seit 1924. Und in Rudolf Diesels über 100 Jahre altem Konzept stecken Chancen für die Zukunft. Denn seinen Motor kann man auch mit einfachem Pflanzenöl betreiben. (Text: ARD-alpha)

Der Erfinder des gleichen Prinzips, das auch heute noch in Kühlschränken angewendet wird, kommt aus Bayern: Carl Linde wird 1842 in Oberfranken geboren. Nach seinem Maschinenbau-Studium arbeitet er zunächst als Ingenieur; sein Interesse gilt der Wärmelehre. Linde entwirft eine Kältemaschine, die auf einem Kreislaufprinzip basiert. Diese neue Maschine entzieht ihrer Umgebung so viel Wärme, dass es möglich wird, aus Wasser Kunsteis zu erzeugen. Für diese Kühlmaschine erhält Linde 1877 die deutschen Reichspatente und gründet schließlich eigene Eisfabriken. Schon bald ist die Nachfrage nach Blockeis riesig, und damit hält die Kühltechnik Einzug in alle möglichen Bereiche, z.B. die Kühlung in Molkereien und Schlachthöfen; kein Wunder also, dass bereits 1913 der erste Kühlschrank für den Hausgebrauch in den USA verkauft wird. (Text: ARD-alpha)

Man kennt es auch heute noch, das schwarze Wählscheibentelefon aus Bakelit. Der Erfinder dieses vollständig künstlich hergestellten Werkstoffs heißt Leo Hendrik Baekeland. Nach seinem Studium der Chemie und der Suche nach einem verarbeitbaren Kunststoff interessieren ihn vor allem die Phenol-Formaldehyd-Reaktionen in der organischen Chemie. Indem er die beiden Stoffe zur Reaktion bringt, erhält er zunächst ein lösliches, nicht hitzebeständiges Polymer. Bei einer geeigneten Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien und genügend Wärmezufuhr entstehen dreidimensional vernetzte Riesenmoleküle. Diese bilden feste, hitze- und lösungsmittelbeständige Körper, die ersten Kunststoffe. (Text: SWR)

Die Chemische Fabrik in Griesheim ist seit 1890 ein Großhersteller von Natronlauge – und somit auch von Chlor, welches große Lagerprobleme verursacht. Der junge Chemiker Fritz Klatte findet hier einen Weg, das problematische Gas in einem neuen, festen Stoff zu binden.1912 synthetisiert er so Vinylchlorid. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts versuchen dann viele Chemiker, ein künstliches Polymer herzustellen, um der Industrie einen vielfach einsetzbaren Werkstoff zu liefern. Die zugrunde liegenden chemischen Prozesse kann erst der deutsche Chemiker Hermann Staudinger erklären. Laut Staudingers Theorie bildet sich Polyvinylchlorid, also PVC, in einer Reaktion, die er Polymerisation nennt. Dieses erste künstliche Polymer bestimmte mit seinen Eigenschaften bis in die 1930er Jahre hinein das Aussehen vieler Industriegüter. (Text: SWR)