Werner Richter Manfred Engshuber - Alexander von Humboldts Messtechnik

Mechanische Energie aus dem Betrieb von Wasser- und Windmühlen wurde zwar genutzt, war aber standortgebunden, und die Dauerleistung von Menschen und Tieren als mobil einsetzbare animalische Energielieferanten hatte enge Grenzen. Langzeitig kann der Mensch mechanisch nur etwa 100 Watt leisten 1. In den englischen Kohlegruben z. B. dienten unter Tage Pferde als Zugtiere zum Kohletransport. Pferde können etwa die fünffache Menge an Arbeit des Menschen verrichten, benötigen dazu aber auch etwa die fünffache Menge an Nahrungsenergie 2. Bei steigender Kohleförderung wäre also bald die gesamte verfügbare landwirtschaftliche Nutzfläche nötig gewesen, nur um die eingesetzten Zugtiere ernähren und damit die Kohleförderung steigern zu können. Die Umwandlung eines vorhandenen fossilen Energieträgers (Steinkohle und auch Holz) in mechanische Energie war also eine Art Zwangsbedingung für eine quantitative und qualitative materielle Entwicklung. Erst die Verbrennung von Kohle zur Dampferzeugung und deren Umsetzung in mechanische Arbeit mit Hilfe der Dampfmaschine ermöglichte eine maschinelle Großproduktion 3. Zusätzlich begünstigt wurde das durch Transportmöglichkeiten größerer Massen auf dem Wasserweg, was eine rein ortsgebundene Nutzung von Energie weitgehend ersetzen konnte.

Diese durch eine neu erschlossene Energiequelle provozierten Wandlungsprozesse fanden schnell ihren Niederschlag in den Naturwissenschaften, in der Philosophie und in der Ökonomie. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entstanden mit der industriellen Entwicklung neue Erkenntnisfelder, neue Theorien und neue Berufsgruppen. Eine großtechnisch betriebene Energieumwandlung erforderte Fachkenntnisse über thermische Umwandlungsprozesse und eine verlässliche Berechenbarkeit von Konstruktionsteilen. Beide Bereiche bedingten einander, denn tragische Unfälle bei Dampfkessel-Explosionen erforderten eine theoretische Durchdringung der Ursachen und Auswirkungen, und durch verbesserte Theorien wuchsen zugleich die Effizienz von Prozessen und die Sicherheit von Produkten.

Die einsetzende industrielle Produktion benötigte also Fachleute, die eine Verbindung von mathematischen und naturwissenschaftlichen Kenntnissen beherrschten und diese anwenden konnten. Solche Ingenieure 4wurde erstmalig in Frankreich an der École polytechnique ausgebildet. Dort lehrten im ersten Drittel des 19. Jahrhunderts berühmte Wissenschaftler wie Pierre-Simon Laplace, Joseph-louis Lagrange, Siméon Denis Poisson und Augustin-louise Cauchy, mit deren Namen viele für den Ingenieur selbstverständliche Gesetzmäßigkeiten und Formeln verknüpft sind. Ein typisches Beispiel dafür ist die sog. Laplace-Transformation, mit der reelle Funktionen aus dem Zeitbereich in den komplexen Frequenzbereich überführt und auf diese Weise elegant lösbar gemacht werden. Die rein statische Betrachtungsweise technischer Vorgänge ließ sich also mit Hilfe der Infinitesimalrechnung auf zeitabhängige Größen ausdehnen. Die Ingenieurwissenschaften erlangten durch die Verbindung von Theorie und Praxis ihre zunehmende Selbstständigkeit 5.

Weniger beeinflusst von großtechnischen Prozessen blieb ein eher elitärer Berufszweig. Nur in wenigen Orten in Europa gab es Werkstätten, die in der Lage waren, Messinstrumente für die naturwissenschaftliche Forschung herzustellen. Meistens standen sie in direkter oder indirekter Verbindung mit universitären Laboratorien oder privaten Forschern. Bedurfte es schon erheblicher technologischer Kenntnisse und handwerklicher Fertigkeiten, um Behausungen, Bekleidung, Werkzeuge und Waffen und nicht zuletzt Schmuck für die Obrigkeiten herzustellen, so erforderte die Herstellung von Geräten zur Zeitbestimmung, der Gestirnbeobachtung und für den Warenaustausch materieller Güter spezielle Materialkenntnisse und vor allem ganz spezielle Fertigkeiten 6. Dafür eingesetzte Materialien waren neben Glas und Silber vorwiegend Messing. Dessen Korrosionsbeständigkeit und die gegenüber Eisen leichtere mechanische Bearbeitung waren entscheidende Gründe für seine Verwendbarkeit.

Historisch betrachtet ist ein solcher Berufszweig „Instrumentenbauer“ aber uralt: bereits 6000 B.C. beherrschten die Sumerer das Löten bei der Fertigung von Goldschmuck, und die Archäologie kennt aus der Vorzeit eine Fülle von Werkzeug-Fundstücken zum Sägen, Schleifen oder Bohren von Knochen, Holz oder Stein und wenig später auch von Kupfer, Bronze und Eisen. Gleichermaßen erforderte die Beobachtung der Gestirne und von anderen Naturerscheinungen Gerätschaften zur Bestimmung von Zeiten, Längen und Winkeln 7. Ohne solche Hilfsmittel wären etwa Claudius Ptolemäus oder Eratosthenes von Kyrene nicht zu ihren Erkenntnissen gekommen.

Wie kurz skizziert, waren weittragende Umwälzungen in Wissenschaft und Gesellschaft die wesentlichen Kennzeichen der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts. Die Physik war so weit fortgeschritten, dass ein mechanistisches Menschenbild (siehe Abschnitt 5.1) kursieren konnte, und die Astronomie hatte ihrerseits das heliozentrische Weltbild gefestigt. Die wissenschaftlich-empirische Chemie hatte ihr alchimistisches Image teilweise abgestreift und war praktizierter Alltag in jedem Laboratorium. Zur Beschreibung von chemischen Umsetzungen dominierten aber noch Fluidums-Theorien verschiedenster Art. Weit verbreitet war die Vorstellung, dass bei der Verbrennung ein hypothetisches Fluidum, das Caloricum (Wärmestoff) oder Phlogiston 8, entweichen und bei Abkühlung wieder in die Substanz eindringen könne. Ähnlich dazu gab es viele Vorstellungen, dass irgendein Fluidum für Stoffänderungen oder Phasenübergänge verantwortlich sei, welches nur noch nicht zu bestimmen war. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die langjährige Beschäftigung des Schweizer Meteorologen und Glaziologen Jean-André Deluc mit dem Schmelzen von Gletschern, der Regenbildung und der Entstehung von Gewittern, für die ein „fortleitendes“ und ein „elektrisches“ Fluidum maßgebend seien (siehe Abschnitt 6.1). Andere Forscher postulierten für die Gravitation ein „schweremachendes“ Fluidum.

Derartige Unsicherheiten in der Bewertung von Stoffänderungen bei thermischen Einflüssen reichen bis weit in das 19. Jahrhundert und wurden erst durch einen umfassenden Energiebegriff beseitigt. Ausgehend vom Pendel hatten sich zwar schon viele Denker mit mechanischer Energie, so dem Zusammenhang zwischen potentieller und kinetischer Energie, befasst (Wilhelm Leibniz: „Erhaltung der Kraft“), aber noch 1800 sprach Thomas Young nur von mechanischer Energie – andere energetische Phänomene waren für ihn ohne Bezug dazu. Das also war das Umfeld 9, und Brandt schreibt in [2, Seite 15], dass sich Humboldt erst spät in seinem großen Werk Kosmos sehr zögerlich und nur kurz damit befasst hatte.

Die neue Technik Dampfmaschine und deren zum Betrieb erforderlichen Dampferzeuger waren aber die treibende Kraft für weitgreifende Überlegungen zu den möglichen Energieformen, deren Umwandlungsmöglichkeiten und ihrer Äquivalenz. Der deutsche Arzt Robert Mayer formulierte 1842 den Energieerhaltungssatz: „Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden“ 10, und dem englischen Bierbrauer James Prescott Joule gelang 1850 der quantitative Nachweis des mechanischen Wärmeäquivalents 11. Schließlich konnte gezeigt werden, dass mechanische, chemische (Josua Gibbs 1870) und Elektroenergie (Werner von Siemens 1882) einander äquivalent sind. Das aber waren Erkenntnisse, die erst nach Humboldts Lebzeiten zu Fundamentalsätzen von Naturwissenschaft und Technik wurden.

Ähnlich kontrovers verliefen die Diskussionen über die Entstehungsgeschichte der Erde. Angeregt durch seine Studien bei Abraham Gottlob Werner in Freiberg, war Humboldt anfänglich noch Neptunist 12. Erst durch seine Erkenntnisse auf der Südamerikareise schwenkte er endgültig zu den Plutonisten über [5, S. 101]. Weiter ist zu bedenken, dass man, durch den Bergbau befördert, im 18. Jahrhundert schon viele Mineralien kannte. Aber noch im Jahr 1800 waren erst 32 der 92 natürlichen Elemente nachgewiesen, und es waren noch längst nicht alle physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Elemente bekannt. Auch die Analysemethoden dafür waren mehr Empirie als Wissenschaft, denn erst mit Martin Heinrich Klaproth (1743 – 1817) setzte sich die gravimetrische Analyse (exakte Wägung der Reaktionsprodukte) allmählich durch.