Alexander von Humboldts Messtechnik: Instrumente -Methoden -Ergebnisse

Von Werner Richter Manfred Engshuber

Der Kenntnisstand in Physik, Chemie und Astronomie zum Ende des achtzehnten Jahrhunderts und zu Beginn des neunzehnten Jahrhunderts erlaubte den Einsatz von neuen Geräten zur Erkundung bisher nur wenig erforschter Gebiete. Europäische Instrumentenbauer entwickelten und verbesserten in feinmechanischer Präzisionsarbeit den Aufgaben angepasste hochwertige Messinstrumente für Wissenschaft und Forschung.
Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht befassen sich die Autoren mit den messtechnischen Eigenschaften und Einsatzgrenzen von Instrumenten und Messmitteln, wie sie Alexander von Humboldt auf seinen Forschungsreisen einsetzte.
Huimboldt konnte damit messend forschen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: epubli
• Erscheinungsdatum: 3. Apr. 2014
• ISBN: 9783844290561

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Werner Richter / Manfred Engshuber

Alexander von Humboldts Messtechnik

Instrumente – Methoden – Ergebnisse

Alexander von Humboldts

Messtechnik

Instrumente

Methoden

Ergebnisse

Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Richter

Prof. Dr.-Ing. Manfred Engshuber

epubli

Impressum

Copyright: © 2014 Werner Richter

Herstellung und Verlag: epubli GmbH, Berlin

www.epubli.de

ISBN 978-3-8442-9056-1

Humboldts wissenschaftliche Leistungen

waren in erster Linie die Leistungen

eines Entdeckers mit dem Messinstrument.

Peter Honigmann

Bildleiste auf der Vorderseite unten: Gravur auf dem Sextant von Jesse Ramsden, den Alexander von Humboldt auf seinen Reisen in Amerika und Asien benutzt hat. Dieser Sextant wird in Straßburg aufbewahrt(Ville de Strasbourg, Conservation des Musées, Château de Rohan). Die Inschrift lautet:

Al. v. Humboldt, Amer. u. Sib. 1799-1804 und 1829.

(Quelle: bearbeitetes Detail einer Abbildung aus [3, S. 194])

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1. Einführung

1.1. Wissenschaft und Technik um 1800

1.2. Instrumente und Methoden

1.3. Maßsysteme

2. Zeitmessungen

3. Temperaturmessungen

4. Ortsbestimmungen und Navigation

4.1 Problemkreis

4.2. Trigonometrische Ortsbestimmung

4.3. Barometrische Höhenmessung

4.4. Navigation

5. Messungen von elektrischen und magnetischen Größen

5.1 Elektrizität

5.2 Magnetismus

6. Analytische Untersuchungen

6.1. Problemkreis

6.2. Eudiometrie

6.3. Bestimmung der Luftgüte mit dem Volta’schen Eudiometer

6.4. Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft

6.5. Luftfeuchte und Regen

6.6. Transparenz der Luft und Himmelsbläue

6.7. Gewässer-Untersuchungen im Tal von Mexiko

Schrifttum

Namensregister

Sachwortregister

Anhang: Bilder und Tabellen

Die Autoren

Vorwort

Fachgespräche mit Kollegen der Ingenieurwissenschaften und der Technikgeschichte über das Werk des großen Naturforschers Alexander von Humboldt führten bald auf die Frage, ob und in welchem Umfang Humboldts Forschungen auch Wechselwirkungen mit der materiellen Produktion im Verlauf der Industriellen Revolution ausgelöst haben könnten. Weitgehende Übereinstimmung herrschte darüber, dass Humboldts Hauptanliegen einer Erforschung der Natur in ihrem Gesamtzusammenhang galt. Seine Beziehungen zur Technik waren jedoch vorwiegend die eines Nutzers. Neue Techniken und Technologien zu entwickeln stand nicht im Fokus seiner Interessen, wohl aber gab er an Instrumentenbauer seiner Zeit Ratschläge zur Verbesserung ihrer Instrumente. Deren Entwicklungsstand war seinerseits abhängig von den bis dahin gesammelten naturwissenschaftlichen Kenntnissen und Erkenntnissen und unterlag ebenso den jeweils aktuellen Hypothesen noch unbekannter Zusammenhänge. Das kommt besonders in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts zum Ausdruck: Gerade dieser Zeitraum ist – neben den gesellschaftlichen Umwälzungen – geprägt von großen Fortschritten in allen Zweigen der Naturwissenschaften, im ingenieurwissenschaftlichen wie im fertigungstechnischen Bereich.

Damit ist auch das Umfeld vorgegeben und es sind die seinerzeitigen Grenzen umrissen, innerhalb derer Humboldt und seine Zeitgenossen ihre höchst arbeitsintensiven, risikoreichen und durch aufwändige Messungen gestützten Erkundungen und Beschreibungen ausführen und interpretieren konnten.

Bei unseren Recherchen in Richtung eines Einwirkens von Alexander von Humboldt auf den technischen Fortschritt und vielleicht auf noch hypothetische Zusammenhänge mit anderen Disziplinen fiel auf, dass bei den Schilderungen des Gebrauchs der verwendeten Instrumente und bei der Angabe von gewonnen Messdaten zwar oft die Termini „sehr genau" oder „besser als" auftauchen. Konkretere Aussagen im Sinne einer heute selbstverständlichen Angabe von relativen Unsicherheiten sind selten und dann oft nur verbaler Art. Interessant wäre sicher auch die mathematische Aufarbeitung der von Humboldt aufgezeichneten und oft erst später ausgewerteten Messdaten. Diese stehen ihrerseits oft in engem Zusammenhang mit den astronomischen und geografischen Berechnungen bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts. Darauf einzugehen würde unseren Wirkungskreis überschreiten.

Wir beschränken uns deshalb vorwiegend auf Aussagen über die von Humboldt auf seinen Reisen benutzten Instrumente und Methoden zur Erfassung der vielen Orts- und Klimadaten und deren messtechnischen Eigenschaften. Gerätebeschreibungen in früheren Publikationen (incl. der in den Humboldt’schen Aufzeichnungen) sollen dabei weder kopiert noch variiert werden, sondern es wird eine Abschätzung der Gütemerkmale aus heutiger ingenieurwissenschaftlicher Sicht versucht. Im Vordergrund stehen dabei die von Humboldt genutzten Methoden und Techniken, mit denen er gesicherte Messergebnisse erreichen wollte und auch erzielte, diese kritisch bewertete und mit anderen Angaben verglich.

Eine solche Betrachtung erfordert allerdings auch Rückgriffe auf den in den 17./18./19. Jahrhunderten existierenden Kenntnisstand in den Naturwissenschaften, deren Teildisziplinen und über die verfügbare Technik. Dabei notwendig erscheinende Reflexionen auf manche Unsicherheiten und Fehldeutungen von Gelehrten der damaligen Zeit sind vielleicht sogar geeignet, die Bewertung der Gesamtleistung Humboldts um einige Nuancen zu erweitern – wohlgemerkt aus unserer ingenieurtechnisch geprägter Sicht, und ohne Bezüge auf die vielen botanischen, zoologischen, ethnographischen oder soziologischen Aspekte in seinen Arbeiten.

Für Natur- und Technikwissenschaftler wird manche Rückschau vielfach Bekanntes wiederholen. Wir wollen damit aber auch Lesern anderer Disziplinen das schon damals breite Wissensspektrum erläutern, mit dem sich Humboldt befassen musste, um seine großen Vorhaben in Angriff nehmen und ausführen zu können.

Ergiebige Quellen für unsere Betrachtungen waren – neben der Fülle an Literatur von und über Alexander von Humboldt – speziell seine Reisetagebücher, die Frau Dr. Margot Faak systematisch erschlossen hat [1], sowie zwei neuere Bücher von F. Brandt [2] und M. Schöppner [5]. Für diese für uns äußerst wertvollen Vorarbeiten gebührt den Autoren und Herausgebern unser herzlicher Dank.

Ebenso danken wir ausdrücklich Herrn Dr. Ingo Schwarz von der Alexander-von-Humboldt-Forschungsstelle der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften Berlin, und Frau Univ.-Prof. (i.R.) Dr. Dr. Dagmar Hülsenberg, Ilmenau für die fördernde Begleitung, ohne die eine solche von uns beabsichtigte Arbeit nicht zu bewältigen gewesen wäre. Gleichermaßen danken wir Herrn Prof. Dr. Andreas Hebestreit, Leipzig, Frau Dr. Anke Richter, Rossendorf und Herrn Freiherr Georg von Humboldt, Bammenthal für wertvolle helfende Hinweise.

Döbeln und Ilmenau, im März 2014

Werner Richter, Manfred Engshuber

1. Einführung

1.1. Wissenschaft und Technik um 1800

Der Zeitraum ab Mitte des achtzehnten Jahrhunderts bis weit in das neunzehnte Jahrhundert hinein war geprägt von Veränderungen in der Gesellschaft, deren Abfolge und Wirkungsbreite im wahren Wortsinne nachhaltig gewesen ist. Solche Veränderungen werden berechtigt als Revolutionen bezeichnet, seien es die Französische Revolution, die bürgerlichen Revolutionen in anderen Ländern oder die Industrielle Revolution. Derart große gesellschaftliche Umwälzungen blieben verständlicherweise nicht ohne Auswirkungen auf Wissenschaft und Technik. So befand sich die Produktion materieller Güter ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ebenfalls in einer revolutionären Umbruchphase. Der Übergang von der überwiegend manuellen Fertigung in Manufakturen, die in Handarbeit Luxus- und Konsumgüter (Gobelins, Porzellan, Glaswaren, Nähnadeln, Lederwaren, Waffen) herstellten, hin zur maschinengestützten Serienproduktion ist ein wesentliches Kennzeichen der Industriellen Revolution. Weitere und nicht weniger bedeutende Aspekte sind neben der Umwälzung der sozialen Verhältnisse die radikalen Veränderungen der Arbeitsbedingungen und der Arbeitsumgebungen in bis dahin nicht bekanntem Umfang.

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 leisten¹. 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 Nahrungsenergie². 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 Großproduktion³. 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 Ingenieure⁴ wurde 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 Selbstständigkeit⁵.

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 Fertigkeiten⁶. 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 Winkeln⁷. 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.