Thread by @jmkorhonen

Miksi höyrykone otettiin käyttöön juuri Englannissa, eikä esim. Rooman valtakunnassa tai Kiinassa?

Tämä on monimutkainen kysymys, mutta uskon tietäväni vastauksen tärkeimmän osan. Seuraa ketju, tällä kertaa tallensin ensin tekstieditoriin. :)

Tekninen etevyys ei ollut syynä. Ensimmäinen laajempaan käyttöön tullut höyrykone, Newcomenin ilmanpainekone, rakennettiin 1710. Vielä 40 v myöhemminkään Intian, Kiinan, Japanin ja Euroopan ydinalueiden välillä ei ollut mainittavaa eroa teknisessä osaamisessa.

Keksinnöt levisivät jo tuolloin suhteellisen nopeasti muutenkin: esimerkiksi Ruotsissa Dannemoran rautakaivokseen rakennettiin ensimmäinen Newcomenin kone jo 1727. Sitä ei kuitenkaan käytetty koekäytön jälkeen juuri lainkaan.

En usko oikein siihenkään, että ratkaisevaa olisi ollut Englannin omistusoikeusinstituutioiden kehittyneisyys, patenttijärjestelmä, aatelisten halukkuus investoida, tai muukaan usein esitetty syy. Vaikutusta näillä ehkä oli.

Englanti oli uskoakseni historiallinen ja maantieteellinen sattuma. Vuoden 1700 tienoilla todennäköisesti ainoa paikka missä oli sekä tarve että mahdollisuus käyttää sellaista konetta, mikä vuoden 1700 valmistusteknisellä osaamisella osattiin rakentaa, oli Englannissa.

Englanti oli tullut riippuvaiseksi hiilestä jo 1600-luvulla. Metsät oli hakattu tai niitä tarvittiin rakennusaineiksi, mutta suurkaupungit tarvitsivat etenkin lämpöä. Karkeasti sanoen ihmistä kohden tarvittiin vähintään hehtaari jatkuvasti kasvavaa metsää.

Hiilen käyttö ei tietysti ollut mitään uutta. Kiinassa hiiltä käytettiin runsain mitoin jo 1000-luvulla, ja siellä osattiin jo tuolloin jopa tehdä rautaa kivihiilellä koksaamalla hiili ensin, taito mikä Englannissa keksittiin vasta 1709.

Mutta Kiinan ja Englannin välillä oli ratkaiseva maantieteellinen ero. Kiinassa oli valtavat hiiliesiintymät, ja ne olivat sattuneet jäämään pääosin pohjaveden pinnan yläpuolelle. Kaivokset olivat "kuivia" ja niitä voitiin kaivaa uusia sitä mukaa kun entiset tyhjenivät.

Kaivoksen täyttyminen vedellä oli muualla erityisen kiperä ongelma, toiseksi tärkein syy kaivosten hylkäämiseen heti esiintymän ehtymisen jälkeen. Hevostenkaan voimin pyöritetyt nostolaitteet eivät käytännössä kyenneet nostamaan järkevästi vettä yli 14-15 metriä kerrallaan.

Jos siis haluttiin kaivautua pohjaveden pintaa alemmaksi ja yli n. 15 metrin syvyyteen, eikä kaivos sijainnut juuri sopivasti vesipyörää pyörittämään kykenevän joen vieressä tai sen vieressä ollut kätevää laaksoa, johon louhia tyhjennyskanava, oltiin Ongelmissa.

Syvemmän kaivoksen pumppaaminen kuivaksi oli joskus mahdollista, jos oli pakko. Mutta kun puuhaan tarvittiin helposti satoja ihmisiä ja/tai hevosia, niin se ei ollut halpaa. Varsinkaan maassa, jossa työväen palkat olivat selvästi suuremmat kuin mantereella.

Ja, kuten ehkä jo arvasitte, Englannissa hiiliesiintymät eivät olleet pääosin pohjaveden yläpuolella. Englannin hiilikaivokset olivat "märkiä:" osa kaivettiin jopa merenpinnan alle.

1700-luvulle tultaessa helppo hiili alkoi loppua Englannista. Piti kaivautua ahnaammin ja syvemmälle. Vastaan ei kuitenkaan tullut Udûnin tuli vaan vesi. Samalla maassa paloi jatkuvasti enemmän hiiltä (1642 sitä opittiin käyttämään oluentekoonkin, samalla pale ale keksien).

Nyt sitten tullaan toiseen syyhyn miksi Englanti. Newcomenin ilmanpainekone edusti aikansa huippuosaamista ja oli melko varmasti parasta mitä 1700-luvun alun kyvyillä ja materiaaleilla saatiin aikaan. Se ei silti ollut oikeastaan edes höyrykone.

Newcomenin kone käytti höyryä vain täyttämään työsylinterin kun mäntä oli yläasennossa. Kun sylinteriin ruiskutettiin kylmää vettä, höyry tiivistyi, paine sylinterissä laski alle normaali-ilmanpaineen ja mäntä "imeytyi" ilmanpaineen voimasta alaspäin.

Newcomenin ilmanpainekone erosi 1800-luvun loppuun mennessä tavalliseksi tulleista korkeapainehöyrykoneista paljon. Korkeapainehöyrykoneessa mäntää liikuttaa höyryn ylipaine. Sellaisesta voidaan rakentaa paljon pienempi, kevyempi, ja ennen kaikkea tehokkaampi.

Silti vielä höyrykoneen suurena parantelijana tunnettu James Watt piti korkeapainekonetta liian vaarallisena - 70 vuotta myöhemmin! Koska semmoisen rakentaminen ja turvallinen käyttö edellytti paljon kehittyneempää valmistusosaamista mitä edes 1770-luvulla yleisesti hallittiin.

Newcomenillakin oli suuria vaikeuksia saada esimerkiksi liitokset riittävän tiiviiksi ja kestäviksi, ja suuren sylinterin ja männän tiivistys toimimaan. Hän teki silti parasta mitä tuolloin saatiin aikaan. Mikä tarkoitti älyttömän tehotonta konetta.

Newcomenin kone muutti vähän lähteestä riippuen 0,5...0,7 prosenttia polttoaineen lämpöenergiasta liike-energiaksi. Vertailun vuoksi: modernin sähkövoimalan höyryturbiiniin perustuvassa kierrossa muutetaan liike-energiaksi jopa 48% polttoaineen lämpöenergiasta.

Ensimmäinen Newcomenin kone rakennettiin n. 1710 Cornwalliin tina- ja kuparikaivosta kuivaksi pumppaamaan, mutta koneen käyttö ei ollut kannattavaa. Näin nälkäiselle koneelle ei yksinkertaisesti ollut järkevää käyttöä.

Paitsi yhdessä paikassa. Vuonna 1712 Newcomenin kone rakennettiin hiilikaivoksen päälle Tiptoniin. Hiilikaivoksen päällä sitä voitiin ruokkia pienellä hiilimurulla, joka ei kelvannut myytäväksi, joten polttoaine oli lähes ilmaista.

Newcomenin kone teki jotain mitä hevonenkaan ei kyennyt tekemään: pumppasi vettä paljon syvemmältä, jopa yli 90 metristä. Ensimmäinen kone korvasi saman tien 500 hevosta. Mutta vain hiilellä, ja vain hiilikaivoksen vieressä, 1700-luvun alun paras kone saattoi olla taloudellinen.

Tiedämme tämän esimerkiksi Dannemoran kokemuksista. Kuten todettua, Ruotsiin rakennettiin ensimmäinen Newcomenin kone jo 1727. Mutta vaikka Ruotsissa polttopuu oli halpaa, se oli liian kallista koneen käyttämiseksi. Kone hylättiin.

Sen sijaan Englannin vetisissä hiilikaivoksissa koneesta tuli suurmenestys. Niitä rakennettiin 1700-luvulla noin 700, ja vuonna 1770 käytännössä jokaisessa yli 30 metriä syvässä hiilikaivoksessa oli ainakin yksi.

Näin laaja käyttäjäpohja teki parannusten ilmaantumisen todennäköiseksi. Suuri parannus ilmaantuikin 1770-luvulla, kun James Watt pudotti Newcomenin koneen hiilenkulutuksen neljännekseen ja tekivät siitä todellisen vaihtoehdon muuallekin kuin vain hiilikaivoksiin.

Mutta, kuten sanottua, vielä Wattiltakin jäi tehokkaampi korkeapainehöyrykone rakentamatta. Tuon ajan teknisellä osaamisella matalapainekoneidenkin boilereiden räjähdykset olivat ongelma, ja korkeapainehöyryä kestävät tiiviit liitokset rakettitiedettä.

Vasta vuoden 1800 tienoilla saatiin rakennettua ensimmäiset jokseenkin turvalliset korkeapainehöyrykoneet, jotka tekivät esimerkiksi rautatieveturin mahdolliseksi ja höyrylaivat järkeviksi.

Kiinassa, Intiassa, tai edes manner-Euroopassa ei yksinkertaisesti ollut samanlaista olosuhteiden yhdistelmää kuin Englannissa. Kun höyrykonetekniikka oli kehittynyt niin pitkälle että höyrykoneita kannatti näillä seuduin käyttää, Iso-Britannia oli jo menossa kovaa vauhtia ohi.

(Kiinassa saattoi vaikuttaa sekin, että "kuivassa" hiilikaivoksessa ongelmana on usein metaanin kertymisen aiheuttama räjähdysvaara. "Tuodaanpa tulikone tänne" oli varmaan ihan niitä viimeisiä älynväläyksiä mitä se sytytti.)

Ja, samasta syystä, Roomassa ei olisi rakennettu vastaavaa hyödyllistä työtä tekevää höyrykonetta vaikka orjuus olisi lopetettukin.

Roomalaiset eivät koskaan käyttäneet mainittavia määriä hiiltä, osaksi siksi kun eivät tarvinneet. Lontoossa lämmitykseen kului asukasta kohden keskimäärin n. 3-4 kg polttopuuta päivässä: Italian tasangoilla selvittiin alle kilolla. (Intiassa vielä vähemmällä.)

Niinpä roomalaisilla ei ikinä ollut sellaista ongelmaa, mihin alkeellinen höyrykone olisi ollut ratkaisu.

Lähteinä ylläolevaan mm.

Kander, Astrid; Malanima, Paolo; Warde, Paul (2013). Power to the People: Energy in Europe over the Last Five Centuries. Princeton: Princeton University Press.

Murphy, John Paul (2012). Energy, Mining, and the Commercial Success of the Newcomen "Steam" Engine. Ph.D. thesis, Department of History, Northeastern University. Boston, MA.

Parthasarathi, Prasannan (2001). The Transition to a Colonial Economy: Weavers, Merchants and Kings in South India. Cambridge: Cambridge University Press.

Parthasarathi, Prasannan (2011). Why Europe Grew Rich and Asia Did Not: Global Economic Divergence, 1600-1850. New York: Cambridge University Press.