Izum koji je ispario

Parne mašine su osvojile svet za samo nekoliko decenija. Vek nakon svog zlatnog doba, kao da su sasvim nestale. Kako se razvijalo najdramatičnije tehnološko dostignuće u istoriji?

Tekst: Slobodan Bubnjević

Danas, dva i po veka otkad je mladi Džejms Vat otvorio svoju radionicu instrumenata na Univerzitetu u Glazgovu, sasvim je uobičajeno viđenje da tok istorije ne menja svoj kolosek samo pri velikim ratovima i revolucijama već i sa osvajanjem novih tehnologija, upravo zato što su u velikoj meri izmenile ljudsku svakodnevicu, pa tako uticale na društvene odnose i sveopšta zbivanja.

Međutim, revolucije jedu svoja otkrića. Mada se neka od njih, poput noža ili pijuka, jednako i danas koriste, a da se posle nekoliko hiljada godina upotrebe gotovo ništa nije izmenilo u njihovom dizajnu i principu funkcionisanja, mnogo su brojniji oni izumi koji su u svoje doba pokrenuli svet, ali su vremenom prevaziđeni i prilično potisnuti.

No, ipak je redak slučaj, zapravo jedinstven, da neki izum za nekoliko decenija potpuno promeni fizionomiju sveta, a da samo jedan vek kasnije bude potpuno izbačen iz upotrebe. Takav primer je parna mašina, slavni izum pronalazača iz Glazgova, koji je pokrenuo industrijsku revoluciju, a danas se može videti samo u muzejima i specijalnim železničkim rutama za nostalgične turiste.

LOKOMOTIVE I PRUGE

Gotovo je nemoguće zamisliti kako je zaista izgledao svet pre parnih mašina. Danas ipak vidimo da su one donele, pre svega, revoluciju u saobraćaju.

Godine 1808. je parlament u Škotskoj doneo rešenje o izgradnji prve komercijalne železničke pruge sa parnom lokomotivom, koja je povezala naselja Kilmarnok i Tron.

Bio je to samo jedan od koraka, železničkih trasa i tipova lokomotiva koje su početkom 19. veka ostvarili inženjeri i pronalazači širom Britanije kako bi uspostavili železničku mrežu.

Parne lokomotove je proslavila linija koja je otvorena 1825. godine između Liverpula i Mančestera. Na ovoj liniji je od 1829. godine saobraćala čuvena Raketa, parna lokomotiva koju je konstruisao poznati engleski pronalazač Džordž Stivenson (1781–1848).

Ta međugradska linija je postavila prve železničke standarde (kao što je razmak šina na pruzi od 1,435 metara, što se danas naziva standardni gejdž). Prateći uspeh ove linije, pruge su se raširile po celoj Britaniji, a potom i po Americi i Evropi, da bi do kraja 19. veka parne lokomotive stigle i do najudaljenijih delova sveta.

VRŠALICE I TENKOVI

Osim za pokretanje lokomotiva, parna mašina je korišćena u čitavom nizu transportnih sredstava na kopnu i moru – za parobrode i čamce, za parne traktore, parne automobile, vagone, buseve i tricikle, parne rakete, zatim parne valjke i kopače, kao i parne tenkove sa gusenicama i bez njih.

Parna mašina se izuzetno mnogo koristila u industriji, motori na vodenu paru su pokretali čitav niz postrojenja, a postojali su parni mlinovi i parne vršalice, kao i parni „magarci“, što je jedan vid stacionarnog motora koji se zapregom mogao prenositi sa jednog na drugo radno mesto. Naročito široku primenu imale su parne pumpe, što je uostalom i bio prvi uređaj na paru.

No, već do druge polovine 20. veka, parnu mašinu su sasvim istisnuli motori sa unutrašnjim sagorevanjem i električni motori, a ako se izuzme parna turbina, parne mašine su sasvim isparile – stare parne mašine sa klipom jedva da su za sebe danas našle ikakvu primenu.

Zašto se to dogodilo? Odgovor je u samoj istoriji i dizajnu parne mašine. Njen početak, burni razvoj i potonje iščeznuće zapravo su najbolji primer prirode razvoja tehnologija i veza sa naučnim i društvenim napretkom.  

PARNE VRTEŠKE

Pre svega, parna mašina nije izum koji je iznenadno otkriven u Engleskoj krajem 18. veka. Prvi motor na paru razvio je još Heron iz Aleksandrije u prvom veku nove ere, o čemu on piše u svom spisu Pneumatika. Taj uređaj, nazvan eolopil, okretao se potiskom zagrejane vodene pare, ali nije imao neke naročite praktične primene. Heron je u istom delu razvio i rešenje za otvaranje vrata u hramovima i palatama pomoću pare.

U 16. veku javljaju se nova teorijska rešenja gde para potiskom okreće kugle i cilindre – turski astronom, filozof i izumitelj Taki El Din (1526–1585) opisuje jedno 1551. godine, a italijanski arhitekta Đovani Branka (1571–1645) iz grada Loreta daje 1629. godine još jedan nacrt u svom delu Mašine, zborniku sa 63 crteža mašina.

U to doba su se pojavljivala i rešenja liftova i čamaca na vodenu paru, ali nije poznato da je ijedno od njih ostvareno. Kako god, izvesno je da se samo ideja o upotrebi pare za pokretanje mehaničkih delova kuvala više vekova, sve dok se nije došlo do prvih ostvarenih uređaja na vodenu paru – parnih pumpi.

RUDARSKE PUMPE

Ni prvi upotrebljiv prototip parne pumpe nije razvio samo jedan naučnik. Mada se uobičajeno najveći deo zasluga za njihov nastanak pripisuje Džejmsu Vatu, ova parna mašina je konačni plod sto godina dugog razvoja u kome je učestvovao čitav niz pronalazača. Takve mašine su u praksi bile potrebne za izbacivanje vode iz rudnika, ali čitav vek nije bilo dovoljno efikasnog rešenja.

Prvo rešenje je dao engleski izumitelj Tomas Saveri (1650-1715), koji je 1698. godine napravio ne naročito efikasnu i vrlo eksplozivnu pumpu na paru, izvesno razvijenu na osnovu radova sa zatvorenim parnim cilindrom francuskog fizičara Denisa Papena (1647–1712). No, istinski napredak je doneo izum iz 1712. godine engleskog kovača Tomasa Njukomena (1663–1729), koji je napravio takozvanu atmosfersku pumpu na paru.

Njukomenova pumpa je izbacivala vodu iz rudnika tako što se na jednoj strani klackalice zagrejana para ubacivala u cilindar ispod klipa. Uteg na drugoj strani je podizao klip dok se para hladila vodom. Ispod klipa se pri hlađenju smanjivao pritisak u cilindru, tako da je atmosferski pritisak vraćao klip u prvobitni položaj i time spuštao polugu sa utegom kojom je vađena voda iz rudnika.

Ovaj izum je funkcionisao u praksi tokom 18. veka, ali je za svoj rad trošio previše ogreva i sveukupno nije bio mnogo efikasan. Tokom narednih decenija je bilo sitnih poboljšanja konstrukcije, ali ne naročitih (ventile za ubacivanje hladne vode i pare su, na primer, u svakom ciklusu ručno otvarali dečaci koji su dežurali kraj mašine, sve dok i oni nisu povezani sa klackalicom).

RADIONICA NA UNIVERZITETU

Istinski dalji razvoj je čekao pedeset godina, sve do pojave škotskog izumitelja Džejmsa Vata (1736–1819), koji je načinio prekretnicu i na neki način, trasirao sudbinu svih budućih parnih mašina. Konstrukcioni model parne pumpe koji je Vat razvio nije bio zasnovan samo na unapređenju postojećeg tehničkog rešenja, već je i nastao u saradnji sa vodećim naučnicima epohe što je omogućilo da direktno primeni nauku o toploti tog doba.

Sam Džejms Vat je, inače, bio genijalni izumitelj, ali bez većeg formalnog obrazovanja. Poreklom iz porodice brodovlasnika stekao je dosta znanja u kući, da bi se 1754. godine, posle majčine smrti, uputio u London. Samo to putovanje koje je na konju trajalo punih 12 dana, ostavilo je utisak na mladog Vata.

U Londonu je kao šegrt započeo školovanje za proizvođača matematičkih instrumenata, ali nije uspeo da ga dovrši. Već posle godinu dana vratio se u Glazgov. Nameravao je da već tada otvori radionicu za proizvodnju instrumenata, ali mu to nije odobrila gilda čekićara, svih majstora koji rade sa čekićem, pošto nije imao sedam godina šegrtskog staža.

No, zahvaljujući podršci koju je dobio od određenih profesora, Univerzitet u Glazgovu mu je 1758. godine odobrio da unutar Univerziteta otvori svoju radionicu, što je bilo prilično zgodno za jednog novog pronalazača s obzirom na ugled i značaj pet vekova starog škotskog univerziteta.

Kako smatra Endrju Karnegi, koji je još 1905. godine napisao Vatovu biogafiju, taj događaj je zapravo bio presudan za razvoj parne mašine. „Vat nije mogao biti u boljem položaju. Njegovo okruženje je bilo idealno, resursi univerziteta su mu bili na raspolaganju i budući odgovarajuće pozicionirana, njegova radionica je postala mesto okupljanja fakulteta. Na taj on se način našao u bliskom kontaktu sa najuglednijim mogućim savetom naučnika na svetu.“

Svojim odličnim rešenjem rada jednih orgulja, Vat je i sam stekao ugled među profesorima, koji su ga savetovali da se pozabavi usavršavanjem parne mašine. U tom poslu je pre svega dobio podršku fizičara, istraživača i enciklopediste Džona Robinsona (1739–1805) i hemičara Džozefa Bleka (1728–1799), koji se proslavio otkrićem ugljen-dioksida, latentne i specifične toplote.

CILINDAR I KONDENZATOR

Na Univerzitetu u Glazgovu je postojala jedna stara Njukomenova parna pumpa, ali je ona bila odneta u London u vreme kad je Vat započeo svoja istraživanja o primeni pare za dobijanje mehaničkog rada. Na njegov zahtev, Njukomenova pumpa je vraćena u Glazgov 1763. godine i Vat je uneo čitav niz poboljšanja, stvarajući tako prvu istinsku parnu mašinu.

Osnovno Vatovo unapređenje bilo je uvođenje kondenzatora pare. Vat je zapazio da se u Njukomenovoj pumpi previše energije troši upravo zato što se para u cilindru kondenzuje kad se u njega ubaci hladna voda. Umesto toga, Vat je uveo odvojen kondenzator u kome se para pretvarala u vodu, a cilindar je održavao na istoj temperaturi kao i paru, čime je dobio višestruko efikasniju pumpu.

Po logici konstrukcije, to je bio revolucionaran korak u stvaranju prave toplotne mašine, koji su njegovi savremenici ocenili kao sasvim genijalan. Danas se po Vatu u SI sitemu naziva jedinica za snagu (W=J/s), što je zasnovano na slavi koju je bez sumnje stekao zbog ove ideje.

Opisujući u svojim sećanjima kako je šetajući ulicama Glazgova došao do ovog rešenja, sam Vat je zapisao: „Kad se analizira, ovo otkriće nije toliko veliko kao što se čini. U stanju u kom sam zatekao parnu mašinu, nije bio potreban baš preterani trud da se primeti kako će količina goriva neophodna za stvaranje rada uvek sprečavati njegovu širu primenu. Sledeći moj korak je bio da ustanovim šta je uzrok tolike potrošnje goriva, što je unapred sugerisano.“

Naravno, Vat je svoj izum dalje razvio, dodajući bojler sa boljom izolacijom, indkator napona pare, i razna druga mehanička rešenja. Zbog manjka sredstava, u tom poduhvatu se udruživao sa više partnera, sve dok se 1775. godine nije udružio sa Metjuom Boltonom, sa kojim je započeo saradnju dugu 25 godina. Oni su kod Birmingema napravili prvu fabriku parnih mašina na svetu, koja je do 1824. godine proizvela gotovo 1200 parnih mašina.

JEDNA OPKLADA

No, Vat i Bolton su još 1781. godine pomoću „sunce i planete“ zupčanika omogućili prenos snage mašine sa poluge na točak, što je unapređenje koje je razvio jedan od njihovih zaposlenih, Vilijam Mardok (1754–1839), koji se brojnim izumima takođe proslavio kao pronalazač.

Prenos snage na točkove je otvorio put ka stvaranju prvih lokomotiva. Tokom prelaza dva veka nastalo je na desetine raznih rešenja, ali je problem bila njihova premala snaga. Među ostalima, Vat i Bulton su insistirali na mašinama koje su radile na niskim pritiscima, smatrajući visoke pritiske opasnim. No, bilo je i drugih viđenja.

Engleski pronalazač Ričard Trevitik (1771–1833) prikazao je na javnoj demonstraciji 1801. godine vozilo koje je pokretala parna mašina sa velikim pritiskom pare. Dve godine kasnije došlo do udesa u kome je poginulo četvoro ljudi, tako da je Trevitik bio žestoko napadan od konkurencije. No, on nije odustao od visokog pritiska i samo je povećao sigurnosne mere.

Zbog jedne opklade, Trevitik je 1804. napravio prvu ikada konstrisanu parnu lokomotivu koja je pred velikom publikom prenela teret od deset tona, pet vagona i 70 ljudi na rastojanje od 16 kilometara od naselja Penidaren do Abersinon u Južnom Velsu. Usavršavanje ovog izuma usledilo je posle Napoleonovih ratova, čima je započela najveća inženjerska utakmica u 19. veku.

Tokom tog takmičenja, svet je postao sasvim drugačiji. Ubrzano su razvijane mašine sa više snage, većim brojem cilindara i taktova, da bi na prelazu sledeća dva veka, parni klipni motori dostigli svoj vrhunac. I potom, bili izbačeni iz upotrebe.

TOPLOTNA EVOLUCIJA

Razlozi za tako brzo napuštanje klipnih parnih motora su upravo u njihovom brzom razvoju. Kao što smo videli, parna mašina i njeno zlatno doba u 19. veku su deo jednog znatno dužeg procesa. Može se reći da se ona toliko proširila svetom pre svega zato što je bila prva koja je mogla da sa podnošljivim gubicima pretvori bilo koju toplotnu energiju u mehanički rad. I da je upravo zato i nestala.

Parna mašina je svo vreme razvijana zbog potrebe za većom efikasnošću postojećih rešenja i na kraju, i sama sasvim odbačena iz te iste potrebe. Ona je uvek bila zamišljena kao toplotni motor sa spoljnim sagorevanjem, gde se toplota koja ulazi u njen ciklus može dobiti pri sagorevanjem uglja ili drveta, ali i iz bilo kog drugog izvora, od solarnih do nuklearnih. No, sa razvojem daleko efikasnijih motora sa unutrašnjim sagorevanjem, njena primena je izgubila smisao.

Sa druge strane, parna mašina je deo jedne porodice koja uopšte nije izumrla. Ona je samo jedna ugašena evolutivna grana među toplotnim mašinama. Ono što je Džejms Vat razvio sa dodavanjem kondenzatora bila je samo prva široko prihvaćena toplotna mašina. Danas su razne takve mašine svuda oko nas, od frižidera i benzinskih motora, do na kraju karjeva, parnih turbina.

Ako se vratimo u epohu koja je prethodila Njukomenovoj pumpi, možemo da je posmatramo kao raskršće u kome se odvojila jedna evolutivna grana parnih cilindara sa klipom. Ona se izuzetno ubrzano razvijala i potom izumrla. No, u međuvremenu su preživele grane koje su se paralelno razvijale i tako dovele do nastanka parnih turbina.

Bitno različite od Vatovog motora, parne turbine se danas itekako koriste, pre svega u proizvodnji električne struje. Toplotna energija koja se u termoelektranama dobija iz uglja, a u nuklearnim elektrana u procesu fisije, predaje se pari koja zatim pokreće parnu turbinu i električni generator koji proizvodi struju. Smatra se da na ovaj način parne turbine proizvode čak 80 odsto električne energije na svetu. U njima je izumrla parna mašina zapravo dobila zadovoljavajućeg naslednika.

TOPLOTNI CIKLUS

Parna mašina, sa klipovima ili turbinom, spada u toplotne mašine sa spoljnim sagorevanjem. Svaka toplotna mašina uvek prima toplotu od toplotnog rezeorvara na višoj temperaturi i predaje je hladnjaku (kondenzatoru) na nižoj. Po Prvom principu termodinamike, odnosno Zakonu održanja energije, mašina tokom svakog toplotnog ciklusa u mehanički rad pretvara razliku ovih toplota, unete i ispuštene. Termodinamički ciklus po kome radi parna mašina je poznat kao Rankinov. Kao radno telo u cilindru, mašina koristi vodenu paru pod pritiskom po kojoj je dobila ime i koja se širi i skuplja, pomerajući klip cilindra i menjajući pritisak i temperaturu u zavisnosti od dela kružnog ciklusa. Stepen korisnog dejstva kod mašina sa klipom nije naročit. Samo nekoliko procenata uložene toplote pretvara se na kraju u koristan rad.