Die Erfindung der Schiffsuhr und eine kurze Geschichte der Navigation auf See

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Schon seit Jahrtausenden fahren die Menschen zur See. Heute vertrauen sie auf Satelliten, Funk- und Radargeräte, die sie sicher ans Ziel führen. Doch wie orientierten sich die ersten Seefahrer, als es diese Technik noch nicht gab?

Die Notwendigkeit, Gewässer zu überqueren, hat schon bei den Neandertalern dazu geführt, dass unterschiedliche schwimmende Hilfsmittel wie Flöße und Einbäume erfunden wurden. Im Altertum entwickelten verschiedene Hochkulturen unabhängig voneinander Wasserfahrzeuge mit denen sie auf Flüssen und Seen unterwegs waren.

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Bild 1 - Altägyptische Wandmalerei in einer Grabkammer. Quelle: gettyimages.no


In der Bronzezeit entstand im östlichen Mittelmeerraum die erste Seeschifffahrt. Im Gegensatz zur frühen Binnenschifffahrt verlor man auf offener See aber schnell die Orientierung. Außerdem war es ungewiss, was hinter dem Horizont lauerte. Niemand wusste zu dieser Zeit, wie weit sich ein Ozean tatsächlich erstreckte und man nahm an, dass ein Schiff, nachdem es dessen Ende erreicht hatte, einfach ins Unendliche stürzen würde.


Teil 1: Frühgeschichtliche Nautik

Etwa um 3500 v. Chr. führte verstärkter Handel zwischen Mesopotamien und dem Mittelmeerraum zur Gründung der ersten Küstenstädte in der Levante. Der Seehandel führte nach Westen entlang der Küste von Kleinasien in die Ägäis und in Richtung Süden nach Ägypten.

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Bild 2 - Küstenlandschaft an der südlichen Ägäis. Quelle: HolidayCheck


Die Seefahrer richteten sich nach markanten Küstenpunkten, verwendeten das Steinlot zum Messen der Wassertiefe und richteten sich nach dem Sonnenstand. Wenn ein senkrechter Stab, der sogenannte „Gnomon“, den kürzesten Schatten warf, war Mittag. In dieser Richtung war auch Norden, entgegengesetzt Süden und im rechten Winkel Osten und Westen. In der Nacht richtete man sich nach dem Großen Wagen. Dies alles gilt aber nur für die nördliche Erdhalbkugel.

Nach Überlieferungen soll der sogenannte „Gelbe Kaiser“ Huáng Dì im Jahre 2634 v. Chr. in China den ersten Kompass verwendet haben. Ein Stück Magneteisenstein, das auf einem Bambusbrettchen in einer Wasserschale schwamm und sich in die Nord-Süd-Richtung ausrichtete, diente als Kompassnadel. Die Chinesen nannten es daher Südstein. Es war die Urform von einem Kompass und ermöglichte erstmals dem Menschen so weit auf das Meer hinaus zu segeln, bis man kein Land mehr sah und auch bei bedecktem Himmel wieder sicher zurück fand. In Europa wurde dieses Wissen erst 800 Jahre später entdeckt.

Eine Weiterentwicklung war der sogenannte „trockene Kompass“. Die erste schriftliche Erwähnung einer trockenen, auf einem Stift spielenden Magnetnadel findet sich im Epistola de magnete von 1269, geschrieben von Petrus Peregrinus de Maricourt. Der trockene Kompass war genauer als die schwimmende Nadel und ermöglichte so eine präzisere Navigation. Im späten 13. Jahrhundert kombinierten die Seefahrer des Mittelmeers als erste die Magnetnadel mit der Windrose.


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Bild 3 - Kompass mit Windrose. Quelle: paradiesi.de


In Norddeuropa überwand man um 1500 v. Chr. größere Strecken mit Ruderfahrzeugen auf offener See mit dem so genannten Nachtsprung in klaren Nächten. Man orientierte sich nachts am Polarstern und musste tagsüber die Landmarken oder Berge der anzulaufenden Küste in Sicht haben. Thales von Milet (625–547 v. Chr.), Philosoph, Mathematiker und Astronom beschäftigte sich auch mit Seefahrtsproblemen und soll ein erstes astronomisches Lehrbuch für die Seefahrt verfasst haben.

Um 600 v. Chr. beschrieb der Periplus von Massilia, dessen Originalmanuskript verloren ging, in drei Teilen die Seehandelswege von Massilia über Tartessos entlang der Westküste von Europa bis zu den Britischen Inseln und möglicherweise von Teilen der Nordsee.

Der Seefahrer Skylax von Karyanda fuhr um 510 v. Chr. im Auftrag des Perserkönigs Dareios I. vom Indus in 30 Monaten um die arabische Halbinsel bis nach Ägypten. Er verfasste eine Periplus (Küstenbeschreibung). Die nach ihm benannte heutige Fassung, die Pseudo-Skylax, war aber über 100 Jahre jünger und stammte von anderen Autoren.


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Bild 4 - Assyrisches Wandrelief, ca. 700 v. Chr. Quelle: sciencesource.com


Wissenschaftlich unbelegt, wies vermutlich bereits ca. 440 v. Chr. der erste Leuchtturm und Tempel des Poseidon auf Kap Sunion der Landspitze des Vorgebirges von Attika, Seeleuten den Weg nach Piräus und Athen.

326–324 v. Chr. befand sich die Flotte von Alexander dem Großen auf dem Rückweg von Indien nach Mesopotamien. Ihr Admiral Nearchos unternahm diese Fahrt zu Forschungszwecken. Sein Bericht über diese Reise war die erste genauere Kunde aus dem Indischen Ozean.

Um 280 v. Chr. wurde der erste bekannte Leuchtturm, der Pharos von Alexandria, fertiggestellt und war eines der sieben Weltwunder. Um 285 v. Chr. entsandte Seleukos I., König der Seleukiden, den Griechen Patrokles zu Erkundung des Kaspischen Meeres. Der Grieche Eratosthenes aus Kyrene berechnete nach Sonnenstandsmessungen mit einem Gnomon in Alexandria und Assuan die Größe der Erdkugel bereits erstaunlich genau. Eratosthenes vermutete auch, dass der größte Teil der Erdoberfläche von Meeren bedeckt sei.

Die ersten Küstenbeschreibungen um ca. 150 v. Chr. (Periplus) waren eine Zusammenfassung von Claudius Ptolemäus. Für exaktere Angaben fehlten allerdings noch die entsprechenden Messgeräte.

Marinos von Tyros schrieb um 110 n. Chr. ein Werk über die damals bekannte Welt mit 7000 geographischen Positionen von den britischen Inseln bis in den Indischen Ozean. Marinos erwähnte die Reisezeiten für Seefahrer und verarbeitete diese Angaben für seine Breiten- und Längenkreise. Ptolemäus bezog sich bei seiner Arbeit auf Marinos.

In einem Bericht über Astronomie in China 200 n. Chr., der Sterne aufzählte, wurde auch erwähnt, dass Seeleute zur Navigation einige große Sterne beobachteten. Dies war der erste Hinweis für eine Hochseeschifffahrt, die sich nach dem Sternenstand orientierte.


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Bild 5 - Sternenhimmel mit Leuchtturm. Quelle: Colourbox / Geo.de


Die erste genauere Beschreibung von Seerouten war die Stadiasmus maris magni, darin wurde um 400 n. Chr. die Küsten, Häfen und Ansteuerungspunkte beschrieben und enthielten bereits Entfernungsangaben in Tagesleistungen bei durchschnittlichen Segel- und Ruderfahrten.

Wikinger entwickelten bereits im frühen Mittelalter einen Sonnenkompass zur Bestimmung der Himmelsrichtungen aufgrund des Sonnenstandes. Unter Wissenschaftlern wird heute der Einsatz von Sonnensteinen als Polarisationsfilter durch navigierende Wikinger des 9. bis 11. Jahrhunderts diskutiert, um am trüben Himmel des Polarkreises den Sonnenstand anpeilen zu können.


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Bild 6 - Campanile di San Marco in Venedig. Quelle: de.wikipedia.org


Der Campanile di San Marco mit ca. 98 Metern Höhe wurde um 1150 in Venedig errichtet. Der Markusturm ist gleichzeitig Ansteuerungspunkt der Schiffe. Bei Tage glänzt seine vergoldete Spitze, bei Nacht wird oben ein Licht angezündet, damit das Bauwerk als Leuchtturm dient.

Der deutsche Astronom und Mathematiker Regiomontanus veröffentlichte 1475 seine astronomischen Tafeln für die Jahre 1475 bis 1506. Diese „Ephemeriden“ genannten Tafeln zeigten den Stand der Gestirne bezogen auf die Erde zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Für die Hochseeschifffahrt waren diese Ephemeriden zur Ortsbestimmung unentbehrlich und ermöglichten erst die Entdeckungsfahrten quer über die Ozeane.

Der Mönch Felix Faber kehrte 1483 von einer Pilgerfahrt aus dem Heiligen Land zurück und beschrieb die Schiffsführung eines Mittelmeerschiffes. Der Steuermann verfügte bereits über einen Kompass neben dem Mast und über einen zweiten auf der Poop (dem Achterdeck), Seekarten, sowie über Instrumente, die nicht genauer beschrieben sind. Ferner beobachtete der Steuermann die Sterne, die Windrichtung die Fische und die Farbe des Wassers. Man sprach von der „Augapfelnavigation“.


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Bild 7 - Astrolabium. Quelle: Wikipedia


Die Einführung des Astrolabiums um 1500 und des Jakobstabs, ein Instrument zur Winkelmessung und zur mittelbaren Streckenmessung, ermöglichten die astronomischen Berechnungen der Breite eines Ortes auf See, was das Wiederfinden einmal entdeckter Inseln und bei Meeresüberquerungen der Küste ermöglichte.

Erst die Erfindung des Sextanten um 1730 (welche auf einen Entwurf von Isaac Newton aus dem Jahr 1700, zurückging) löste das Problem der Ortsbestimmung auf See einigermaßen, so dass die geographischen Koordinaten eines Ortes bestimmt werden konnten.


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Bild 8 - Sextant. Quelle: dorotheum.com


Teil 2: Die Wissenschaft der Längen- und Breitengrade

Schon in der Antike warfen Geographen über ihre Karten ein Gitternetz aus senkrechten und horizontalen Linien. Daraus entstand nach und nach ein Koordinatensystem aus Längen- und Breitengraden, mit dem sich die Position eines beliebigen Objekts auf dem Erdball exakt angeben lässt. Der griechische Astronom und Mathematiker Hipparchos verwendete um 150 v. Chr. als Erster eine Aufteilung der Welt in 360 Längen- und ebenso viele Breitengrade.

Längengrade sind Linien, die von Nord nach Süd, von Pol zu Pol verlaufen. Ihre Abstände zueinander verringern sich vom Äquator bis hin zu den Polen, dort enden sie in einem Punkt. Breitengrade sind übereinanderliegende Parallelkreise, die den nördlichen oder südlichen Abstand zum Äquator angeben.

Für die Einteilung der Breitengrade existieren naturgegebene Bezugspunkte: Der größte Kreis ist der am Äquator; er gilt daher als Breitengrad null. Nord- und Südpol sind jeweils 90 Grad entfernt, erhalten deshalb die Angaben: 90 Grad nördlicher beziehungsweise südlicher Breite.

Dagegen gibt es für die 360 Längengrade keinen natürlichen Anfang. Der griechische Gelehrte Eratosthenes lässt um 200 v. Chr. den Längengrad null (Nullmeridian) auf einer heute verlorenen Karte durch die Insel Rhodos verlaufen; Claudius Ptolemäus versetzt ihn dreieinhalb Jahrhunderte später zunächst nach Alexandria, dann zu den Kanarischen Inseln. Auch der flämische Kartograph Gerhard Mercator beginnt die Nummerierung der Längengrade auf seiner berühmten "Weltkarte zum Gebrauch der Seefahrer" von 1569 auf den Kanarischen Inseln.


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Bild 9 - Mercator-Karte. Quelle: zvab.com


Ab 1767 verwenden viele Kapitäne die Länge der königlichen Sternwarte von Greenwich im Südosten Londons als Nullmeridian (eine Konvention, die erst 1885 international verpflichtend wird). Auf festem Grund lässt sich die eigene Position bei klarem Himmel mit Beobachtungen der Gestirne und einiger Rechnerei ermitteln. Auch auf einem schwankenden Schiff vermögen Navigatoren den Breitengrad einigermaßen genau zu bestimmen. Dazu messen sie bei Dämmerung oder nachts mit astronomischen Geräten die Höhe des Polarsterns (der bei unbewölktem Himmel fast überall von der nördlichen Halbkugel zu sehen ist) oder die der Sonne zur Mittagsstunde über dem Horizont. Mit Zahlentabellen können sie daraus den eigenen Breitengrad bestimmen.

Den Längengrad jedoch vermögen sie nur zu schätzen, indem sie etwa mit Logge (einem Holzscheit, das sie an einer Leine ins Wasser werfen) und Sanduhr ihre Geschwindigkeit messen und so die Entfernung überschlagen, die sie von einem Ort bekannter geographischer Länge, etwa ihrem Heimathafen, in Richtung Osten oder Westen zurückgelegt haben. Da dieses Verfahren sehr ungenau ist, segeln Kapitäne oft lieber mit Blickkontakt zum Land, tasten sich von Insel zu Insel vor oder navigieren "nach der Breite": Sie steuern einen Punkt von bekannter Breite an und fahren von dort immer auf demselben Breitengrad, bis sie auf Land stoßen. Vermutlich hielt es Christoph Columbus bei seiner ersten Fahrt nach Amerika genauso.

Lange war es also für Seefahrer unmöglich, die Position ihres Schiffes auf dem Erdball exakt zu orten, und daher war die Gefahr groß, dass sie ihr Ziel nicht fanden oder aber an unbekannten Küsten Schiffbruch erlitten.

Theoretisch wussten sie: Anhand der Breiten- und der Längengrade wäre die jeweilige Position zu bestimmen. Doch während sich die Breitengrade mithilfe der Gestirne leicht messen ließen, war für die Bestimmung des Längengrades, also die Position des Schiffs in Ost-West-Richtung, ein Maß nötig, das auch auf hoher See und unter widrigen Bedingungen präzise die Zeit des Heimathafens anzeigte.

Ein friesischer Mathematiker und Kartograph hat bereits 1530 beschrieben, dass sich die geographische Länge eines Ortes über die Zeit bestimmen lässt.


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(Bild 10 - Hochseeschiff 16. Jahrhundert) Quelle: sciencesource.com


Beide Größen hängen unmittelbar zusammen: Da die Erde sich um die eigene Achse dreht, scheint die Sonne für einen irdischen Beobachter tagsüber am Himmel von Ost nach West zu wandern. Für seine scheinbare Umrundung der Erde benötigt das Zentralgestirn fast genau 24 Stunden. In dieser Zeit passiert es sämtliche 360 Längengrade. Pro Stunde legt die Sonne also 15 Grad Länge zurück, alle vier Minuten einen Grad.

Wegen dieser Gesetzmäßigkeit entspricht die Längendifferenz zwischen zwei Orten auf der Erdkugel exakt dem astronomisch gemessenen Zeitunterschied: Steht die Sonne um zwölf Uhr mittags im Zenit über London, so benötigt sie drei Stunden, um ihren höchsten Punkt über einem Punkt zu erreichen, der 45 Längengrade westlich der britischen Hauptstadt liegt.

Den Zusammenhang von Zeit und Länge könnte ein Navigator nutzen: Er müsste nur, wenn er mit seinem Schiff etwa im Hafen von London ablegt, eine Uhr mitnehmen, die exakt weiterläuft und ihm draußen auf dem Atlantik weiterhin präzise die Londoner Ortszeit anzeigt.

Sein Längengrad ließe sich ganz einfach errechnen: Er müsste nur die aktuelle Uhrzeit seines Standpunktes auf dem Meer mit einem nautischen Instrument anhand der Gestirne bestimmen. Aus der Differenz zwischen der Ortszeit und jener, die ihm seine Londoner Uhr weiter anzeigt, könnte er den Längenunterschied zum Heimathafen ableiten.

In der Theorie ist das Jahrhundertproblem also gelöst. Doch dazu braucht man eine Uhr, die auch nach Monaten die Ortszeit des Abfahrthafens exakt anzeigt - trotz der Bewegungen des Schiffes, der Schwankungen von Luftdruck, Temperatur und Erdanziehung.

1567 hat die Spanische Krone einen hohen Geldpreis zur Klärung des Längengrad-Rätsels ausgesetzt. Die Monarchen und Regierungen anderer Seemächte folgten mit ähnlichen Ausschreibungen. Die geschicktesten Instrumentenbauer, Astronomen und Mathematiker, berühmte Gelehrte wie Galileo Galilei, versuchten sich an der Aufgabe – und scheiterten.


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Bild 11 - Schiffe in Seenot. Quelle: de.wahooart.com


Als 1707 vier britische Kriegsschiffe an den Klippen der Scilly-Inseln vor der Südwestküste Englands zerschellen und fast 2000 Seeleute ertrinken, weil der Admiral der Flotte und seine Offiziere im Nebel die Orientierung verloren haben, gerät das ungelöste Problem erneut in den Fokus der Öffentlichkeit.

Zwei Mathematiker machen sechs Jahre später einen ungewöhnlichen Vorschlag: Man solle entlang der atlantischen Handelsrouten festliegende Signalschiffe postieren, die regelmäßig Knallkörper und Leuchtkugeln als Zeitsignale in den Himmel abfeuern. So könnten Navigatoren auf vorbeifahrenden Schiffen ihre Position bestimmen.

Der Vorschlag erweist sich rasch als unpraktikabel - schon deshalb, weil der Atlantik an vielen Stellen so tief ist, dass Anker keinen Grund finden würden. Doch die beiden Gelehrten können durch ihre Beharrlichkeit Kaufleute sowie die Kapitäne von Handels- und Kriegsschiffen zu einer Petition an die englische Regierung bewegen. Sie solle einen Preis zur Lösung des Längenproblems ausschreiben.

Daraufhin verabschiedet das britische Parlament im Jahre 1714 den sogenannten "Longitude Act". Der Erlass sieht drei gestaffelte Prämien vor: Den höchsten Preis soll derjenige Forscher erhalten, der ein Verfahren entwickelt, um die Länge bis auf einen halben Grad (das entspricht am Äquator 30 Seemeilen oder 55,5 Kilometer) genau zu bestimmen.

Die volle Summe von 20 000 Pfund (heute ungefähr 3,5 Millionen Euro) werde ausgezahlt, sobald "die Methode auf See erprobt und für praktikabel und nützlich befunden wurde". Ein Arbeiter verdient zu jener Zeit selten mehr als 50 Pfund pro Jahr.


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Bild 12 - House of Commons im 18. Jahrhundert. Quelle: de.wikipedia.org


Zahlreiche Uhrmacher, aber auch Scharlatane und Wirrköpfe reichen Vorschläge bei der neu gegründeten Längenkommission ein. Sie wecken so wenig Hoffnung, dass das Gremium nicht einmal offiziell zusammentritt. Isaac Newton, der bedeutendste Gelehrte seiner Zeit, erklärt 1725, die Länge könne auf See "nicht allein mithilfe einer Uhr gefunden werden".

Eine solche Uhr müsse sich zum Beispiel auf einer Reise von England zu den Westindischen Inseln bewähren. Das heißt: Die Schiffsuhr dürfte während der 60tägigen Reise nicht mehr als zwei Minuten vor- oder nachgehen: zwei Sekunden pro Tag! In dieser Epoche erscheint eine derartige Genauigkeit aber unerreichbar. Selbst Uhren von höchster Qualität weisen Anfang des 18. Jahrhunderts eine Abweichung von täglich mehreren Minuten auf!

Aber nicht nur Uhrmacher konkurrieren um den Längenpreis, sondern auch Astronomen. Sie setzen auf die sogenannte Monddistanzmethode. Dabei bedienen sie sich des Himmels als eines gigantischen Uhrwerks.

Die Grundidee ist seit 1514 bekannt: Man könnte zur Längenbestimmung auf See auch ein astronomisches Ereignis verwenden, das zeitgleich von zwei verschiedenen Orten des Erdballs beobachtet werden kann.

Wenn etwa der Navigator eines Schiffes am Firmament eine Mondfinsternis beobachtet, von der er weiß, dass sie zu einer genau vorhergesagten Uhrzeit von London aus zu sehen ist, dann müsste er nur noch seine eigene Ortszeit bestimmen und könnte über die Differenz zur Londoner Zeit seine aktuelle Länge errechnen.

Verfinsterungen des Mondes sind allerdings sehr selten; auch die häufigeren Bedeckungen der Jupitermonde sind von einem Schiff aus für eine Positionsbestimmung so gut wie unbrauchbar.

Jedoch bewegt sich der Mond aus der Sicht eines Erdbewohners mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch das Feld der Fixsterne, die stillzustehen scheinen. Der Trabant legt dabei pro Stunde ungefähr eine Strecke zurück, die seinem eigenen Durchmesser entspricht: Man kann das Firmament also wie ein riesiges Zifferblatt lesen, mit dem Mond als Zeiger sowie den Sternen und der Sonne als Ziffern. So weit die Idee - die allerdings in der Praxis lange Zeit auf schier unüberwindliche Schwierigkeiten stößt: Denn die Bewegung des Mondes, des "Zeigers", ist für die Astronomen schwer vorherzusagen.


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Bild 13. Quelle: Turgut/AdobeStock


Zudem ist über die genauen Positionen der Fixsterne, der "Ziffern", zu wenig bekannt. Und es fehlt ein Messinstrument, das ausreichend präzise ist, um von einem Schiff aus Winkel und Abstände zwischen dem Mond und anderen Gestirnen zu messen.

Im Jahr 1667 ist bereits in Paris eine Sternwarte gegründet worden, um astronomische Daten für die Monddistanzmethode zu sammeln. 1675 kam das Observatorium von Greenwich hinzu.

1725 erschien ein erster Sternenkatalog, sechs Jahre später wurde mit dem Spiegelquadranten ein neues Messinstrument für Navigatoren erfunden, das die Himmelsbeobachtung auf See vereinfacht.



Teil 3: Ein Tischler aus der englischen Provinz macht sich daran, das Längengrad-Problem zu lösen

Ein Mann hielt jedoch nicht besonders viel von der Monddistanzmethode der Astronomen. Der 1693 in Foulby bei Wakefield,Yorkshire geborene John Harrison, Sohn eines Schreiners, war das älteste von 5 Kindern und erlernte auf Geheiß des Vaters ebenfalls das Tischlerhandwerk.

Mit knapp 20 Jahren konstruierte Harrison 1713 seine erste Pendeluhr, die noch heute in den Ausstellungsräumen der Worshipful Company of Clockmakers in Guildhall zu sehen ist. Sie war nahezu komplett aus Holz gefertigt. Der Anlass zum Bau der Uhr sowie die Frage, woher er das nötige Wissen erlangte, sind ungeklärt. Der junge Mann hat nie eine Schule besucht und wurde vom Vater bestenfalls elementar unterrichtet. Naturwissenschaften standen dabei wohl eher nicht auf dem Lehrplan.


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Bild 14 - John Harrison. Quelle: mauritius images / IanDagnall Computing / Alamy


In den Jahren 1715 und 1717 baute er noch zwei sehr ähnliche Pendeluhren. Sein Geschick spricht sich herum: 1720 erhält Harrison den Auftrag, für die Kirche im Nachbarort Brocklesby eine Turmuhr zu konstruieren.

Für deren Mechanik erfindet er eine neuartige Hemmung. Dieses Bauteil, das die von einem Gewicht oder einer Feder in Gang gesetzte Bewegung des Räderwerks überträgt, bewirkt auch einen immer gleichmäßigen, schrittweisen Ablauf des Uhrwerks - sodass es etwa nicht zu rasch abläuft.

Neu an Harrisons Hemmung: Sie muss nicht geölt werden. Schmieröle, die damals meist aus Tierfett produziert werden, verdicken oder verharzen leicht, Ursache für den Ausfall oder die Ungenauigkeit von Uhren. (Harrisons Turmuhr läuft bis auf den heutigen Tag, ohne dass sie je mit einem einzigen Tropfen Öl geschmiert werden musste!)

Den Erfinder muss dieser Erfolg ungeheuer ermutigt haben, denn in der Folge versucht er sich auch an Präzisionspendeluhren, gut mannshohen Zeitmessern in reich verzierten Holzgehäusen. Und er macht dabei eine große Entdeckung: Er findet einen Ausgleich für die Temperaturschwankungen, die die Länge eines Pendelstabs verändern, dadurch seine Schwingungen verkürzen oder verlängern und die ganze Zeitmessung aus dem Takt bringen.

Dazu konstruiert er einen Pendelstab, der wie ein Rost aus mehreren Messing- und Stahlstäben zusammengesetzt ist. Beide Metalle reagieren unterschiedlich auf Wärme und Kälte. Harrison montiert die Stäbe so, dass ihre Ausdehnung sich gegenseitig ausgleicht. Die effektive Länge des Pendels, der entscheidende Abstand zwischen Aufhängung und Schwerpunkt, bleibt so stets gleich. Es schwingt immer im selben Takt.

Damit hat er ein Problem gelöst, an dem viele große Uhrmacher vor ihm verzweifelt waren. Harrisons Präzisionsuhr weicht nur eine Sekunde pro Monat ab. Sie ist weit besser als alle in London - dem Zentrum der Uhrmacherkunst - gefertigten Zeitmesser!

Erst im Jahr 1726, 12 Jahre nach der Auslobung durch das britische Parlament, hört John Harrison zum ersten Mal vom „Längenpreis“. Er beschließt, an diesem Wettbewerb teilzunehmen und beginnt zu planen: Seine Uhr soll die Zwei-Sekunden-Vorgabe des Longitude Acts sogar unterbieten!

Dann kann er hoffen, bald ein reicher Mann zu sein - wenn es ihm gelingt, aus seiner stationären Pendeluhr eine Schiffsuhr zu machen, die auch auf einem wankenden Segler gleichmäßig schlägt. Der Autodidakt wird ein Verfahren zur Längenbestimmung finden, indem er einen Chronometer entwickelt, eine Uhr, die auf bis dahin unvorstellbare Weise exakt ist!

Harrison reist, inzwischen 33-jährig, nach London. Dort angekommen, spricht er sogleich bei Edmond Halley vor, dem Königlichen Astronomen der Sternwarte in Greenwich, einem Mitglied der Längenkommission.

Halley schickt ihn zu George Graham, dem bekanntesten Uhrmacher und Instrumentenbauer Londons. Beim Blick in Harrisons Zeichnungen erkennt dieser sofort, dass dem Provinzler mit dem Temperaturausgleich für Pendeluhren ein Durchbruch gelungen ist und bietet dem mittellosen Kollegen sogar ein Darlehen als Unterstützung an.

Derart ermutigt kehrt Harrison in seine Werkstatt nach Lincolnshire zurück und beginnt an einer Uhr zu bauen, die gut genug sein soll, um den Längenpreis zu gewinnen! Etwa fünf Jahre lang hört man in London nichts von dem Sonderling. 1735 ist die, später „H1“ genannte, erste Version von Harrisons insgesamt vier Schiffs-Chronometern fertig: 63 Zentimeter hoch, 70 Zentimeter breit, 45 Zentimeter tief - und 34 Kilogramm schwer. Das Ungetüm aus Messing wird von einer Feder statt eines Gewichtes angetrieben.


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Bild 15 - H1. Quelle: watchesbysjx.com


Dieser Umstand machte es überhaupt erst möglich, dass die Uhr in einem stets schwankenden Schiff eingesetzt werden konnte. Das auf See ebenfalls untaugliche Pendel hat der autodidaktische Uhrmacher durch eine besondere Unruh ausgetauscht: zwei große Messingstangen, die im Sekundentakt gegeneinander schwingen und an den Enden durch Spiralfedern sowie in der Mitte durch Metallbänder verbunden sind. Dadurch soll jeder äußere Stoß, der auf eine der Stangen einwirkt, durch eine Gegenkraft aufgehoben werden.

Erschütterungen scheinen der H1 tatsächlich nichts anzuhaben! Harrison testet seine Schiffsuhr auf einem Fluss im Ruderboot. Mit dem Ergebnis ist er so zufrieden, dass er mit der H1 nach London reist und sie George Graham sowie zahlreichen Forschern der Royal Society präsentiert, Englands vornehmster Gelehrtengesellschaft. Dort ist das Erstaunen über die Wundermaschine groß.

Die Admiralität fordert Harrison auf, sich zu einer ersten, halboffiziellen Testfahrt bereit zuhalten. Ein Jahr später, im Mai 1736, findet sich Harrison mit seiner Uhr an Bord des Kriegsschiffes "Centurion" ein.


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Bild 16 - englische Kriegsschiffe. Quelle: modelshipworld.com


Von Spithead, einem Hafen nahe Portsmouth, geht es nach Lissabon, dessen geographische Länge bekannt ist. Während der einwöchigen Überfahrt ist das Wetter so stürmisch, dass Harrison von Seekrankheit geplagt wird.

Vor der Rückfahrt nach England wird die H1 auf Lissaboner Zeit umgestellt. Und da zeigt Harrisons Ungetüm erstmals sein Potenzial: Am Eingang zum Englischen Kanal kann der Erfinder dem Kapitän durch Berechnungen mit der H1 beweisen, dass das Schiff etwa 60 Seemeilen südwestlicher als gedacht auf gefährlichem Kurs segelt.

Noch gerade rechtzeitig leitet die Mannschaft ein Ausweichmanöver ein. Doch lassen Logbucheinträge des Kapitäns vermuten, dass Harrisons Uhr auf der Hinfahrt bedenkliche Schwächen offenbart; einige Positionsbestimmungen mithilfe der H1 erweisen sich anscheinend als recht ungenau.

Dennoch tritt am 30. Juni 1737 die Längenkommission erstmals offiziell zusammen, um über die Resultate zu beraten. Der Mann aus Lincolnshire scheint auf dem richtigen Weg zu sein - auch wenn seine Uhr nur wenig präzise arbeitet und viel zu wuchtig gebaut ist. Harrison, der inzwischen in London lebt, erhält 250 Pfund als Unterstützung, um ein Nachfolgemodell zu bauen.

Für weitere fünf Jahre zieht sich der Erfinder in seine Werkstatt zurück. 1741 steht er wieder vor der Längenkommission. Die H2 nimmt nur halb so viel Raum ein wie ihre Vorgängerin, ist allerdings fünf Kilogramm schwerer. Aber sie ist raffinierter konstruiert und wird mit einem Schlüssel statt einer Schnur aufgezogen.


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Bild 17 - H2. Quelle: watchesbysjx.com


Eine besondere Vorrichtung, ein sogenannter Zwischenaufzug, bewirkt, dass bei der Übertragung der Antriebskraft und beim Abgleich von Temperatur- und Luftdruckänderungen weniger Ungenauigkeiten entstehen.

Offenbar hat der Tüftler aber schon die Unzulänglichkeiten seines Modells erkannt: Denn die Unruhen der H2 reagieren auf äußere Bewegungen, was wohl mit der Wirkung von Zentrifugalkräften zusammenhängt.

Für eine offizielle Testfahrt ist die Uhr vollkommen ungeeignet. Harrison muss ganz von vorn anfangen; dennoch gewährt ihm die Längenkommission weitere 500 Pfund. Nun beginnt die rätselhafteste Periode seines Lebens. Harrison scheint sich heillos zu verzetteln und über seinen Schraubereien völlig die Zeit zu vergessen: Er baut 19 Jahre lang an der H3!

Zwar gelingen ihm in dieser Zeit zwei revolutionäre Entdeckungen: Zum einen erfindet Harrison eine Art Temperaturregler für Uhren mit Unruh - den Bimetallstreifen, ein aus flachem Messing und Stahl zusammengenietetes Metallstück. Es verbiegt sich bei Wärmeschwankungen so, dass seine Bewegung auf eine verbundene Unruhfeder einwirkt, sie verkürzt oder verlängert und so deren Reaktion auf Hitze oder Kälte ausgleicht.

Zum anderen konstruiert er einen Vorläufer des heute gebräuchlichen Kugellagers: Teile seines Uhrwerks laufen nun fast reibungslos und brauchen keine Schmierung. Sonst aber ist Harrisons "merkwürdige dritte Maschine", wie er sie selbst nennt, die größte Enttäuschung seines Lebens. Die gewaltige Uhr (sie ist 59 Zentimeter hoch und wiegt mit Gehäuse 43 Kilogramm) tickt nie mit der gewünschten Präzision. Der Erfinder hat zwei große radförmige Unruhen verwendet, die übereinander angebracht und über dünne Metallbänder verbunden sind.



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Bild 18 - H3). Quelle: watchesbysjx.com


Ihm gelingt es aber nicht, ausreichende Schwingungsgleichheit zwischen den beiden Rädern zu erzeugen (die Ursache ist, wie man heute weiß, jene kurze Spiralfeder, die die Schwingungen der Unruhen steuert und über deren physikalische Eigenschaften im 18. Jahrhundert kaum etwas bekannt ist).

Harrison muss etwas Neues ausprobieren. Während er noch an der H3 arbeitet, hilft ihm der Zufall: Um 1751 lässt er sich nach eigenen Entwürfen von einem Uhrmacher eine Taschenuhr anfertigen, die er selber vollendet. Die tragbaren Zeitmesser gelten zu jener Zeit eigentlich als eher unzuverlässig.

Bis dahin sind Taschenuhren gewöhnlich mit einer leichten und langsam schwingenden Unruh ausgestattet worden. Harrisons Entwurf sieht jedoch als Unruh eine Art liegendes Rad vor, das schwerer ist, daher mehr Bewegungsenergie speichern kann und besonders rasch hin- und herschwingt: fünf Mal pro Sekunde. Nun zeigt sich, dass seine Taschenuhr damit viel genauer geht!

Nach fast drei Jahrzehnten begreift Harrison: Die Schiffsuhr muss eine kleine Uhr sein. In der Größe einer Taschenuhr, mit besonders schnell schwingender Unruh. 1755 beginnt er an der H4 zu bauen.


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Bild 19 - H4. Quelle: watchesbysjx.com


Teil 4: Die Konkurrenz schläft nicht - Aber John Harrisons vierte Uhr wird sich am Ende durchsetzen

Im selben Jahr, als Harrison sich an die Konstruktion der H4 macht, gelingt es dem deutschen Astronomen und Mathematiker Tobias Mayer, die Bewegungen des Mondes und der Sonne genau vorherzusagen.

Im Jahr darauf legt Mayer der Längenkommission einige Tafeln mit genauen zeitlichen Angaben über bestimmte Mond-Sterne-Konstellationen für die Positionsbestimmung auf See vor. In dem Gremium sind einflussreiche Astronomen vertreten, die ohnehin mit der Monddistanzmethode sympathisieren. John Harrison, der seit 30 Jahren erfolglos an einer Schiffsuhr tüftelt, droht ins Abseits zu geraten!

Die Fortschritte seiner Konkurrenten sind ihm gewiss nicht entgangen. Doch der beharrliche Mann lässt sich nicht aus der Ruhe bringen. Er baut weiter an seiner Uhr. Ihre Unruh ist so konstruiert, dass sie - wie in der zuvor modifizierten Taschenuhr - 300-mal pro Minute schwingt. Das entspricht im Übrigen exakt der Taktzahl eines heutigen Unitas 6498 - 18.000 Halbschwingungen pro Stunde.

Ein Bimetallstreifen gleicht Temperaturschwankungen aus. Für viele Lager des Räderwerks verwendet Harrison kleine Edelsteine, um die Reibung auf ein Minimum zu verringern. Für die Hemmung schleift er sogar kleine Diamanten zurecht, die als Haken in die Zähne des Räderwerks greifen - wie es ihm gelingt, diese Präzisionsteile zu formen, ist bis heute ein Rätsel.


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Bild 20 - Uhrwerk der H4. Quelle: watchesbysjx.com


Schließlich umgibt er die Uhr mit einem schützenden Doppelgehäuse aus reinem Silber und graviert sie innen mit seinen Initialen. Dann ist die H4 fertig: eine Taschenuhr von 13 Zentimeter Durchmesser mit einem Gewicht von 1450 Gramm. Im Juli 1760 präsentiert Harrison sein Meisterstück der Längenkommission.
 
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Im Jahr darauf ist es endlich so weit: Die H4 soll sich auf einer offiziellen Testfahrt zu den Westindischen Inseln bewähren, so wie im „Longitude Act“ von 1714 festgelegt. Die Reise mit der H4 soll Harrisons Sohn William antreten - offenbar fühlt sich der inzwischen 68-jährige Uhrmacher zu alt für die lange Überfahrt nach Jamaika.

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Bild 21 - Karte von Amerika, Ende des 18. Jahrhunderts mit Harrisons Route nach Jamaika. Quelle: de.Wikipedia.org


Vor der Abfahrt am 18. November 1761 wird die Uhr in Portsmouth auf die astronomisch ermittelte Ortszeit eingestellt. Zwei Monate und einen Tag später erreicht das Schiff Jamaika. Mit an Bord reist ein Astronom, der auf der Karibikinsel, deren geographische Länge bekannt ist, die Ortszeit ermitteln wird. Das offizielle Ergebnis des Zeitvergleichs soll allerdings erst nach der Rückkehr berechnet werden.

Nach Williams eigenen Kalkulationen ist die H4 während der gesamten Hinreise nur um 5,1 Sekunden falsch gegangen - der Longitude Act erlaubt für den ersten Längenpreis eine Abweichung von unter 120 Sekunden.

Neun Tage später geht es bei stürmischem Wetter auf einer kleinen Sloop zurück nach England. William Harrison muss die H4 manchmal in Decken wickeln, weil Seewasser knietief in die Kapitänskajüte eindringt, wo die Uhr aufgestellt ist.

Nach der Ankunft in Portsmouth errechnet William, dass die H4 während der gesamten Hin- und Rückreise von 147 Tagen nur 1 Minute und 54,5 Sekunden fehlgegangen ist.

Die Uhr seines Vaters war also selbst auf der doppelten Distanz (für den Test sollte nur die Hinfahrt berücksichtigt werden) weit besser als im Longitude Act vorgeschrieben.

Der Erfinder und sein Sohn machen sich Hoffnungen auf das Preisgeld von 20 000 Pfund. Aber die Kommission ist argwöhnisch: Vielleicht verdankt sich die Präzision der H4 ja nur einem glücklichen Zufall? Sie schickt die Testergebnisse an drei Mathematiker zur Überprüfung. Doch die Zahlen werden niemals veröffentlicht, sie gehen sogar verloren. Schließlich erklärt die Längenkommission die Versuchsergebnisse kurzerhand für unbrauchbar. Und verlangt eine Wiederholung des Tests.

Nur widerwillig stimmen die Harrisons einer erneuten Testfahrt zu. Am 28. März 1764 geht es schließlich von England zur Antilleninsel Barbados. Diesmal gibt Harrison vorher den Gang der H4 an; bei Raumtemperatur gehe die Uhr um eine Sekunde pro Tag vor (seine Aufzeichnungen informieren den Kapitän dazu über die Abweichung bei größerer Hitze).


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(Bild 22 - Barbados) Quelle: karibik-urlaub.org


46 Tage später erreicht William mit der Uhr Barbados. Zwei Astronomen sind vorausgereist, um die exakte Lage der Insel zu bestimmen und sie mit der Länge von Portsmouth zu vergleichen.

Nach ihren Berechnungen beträgt die Zeitdifferenz zwischen beiden Orten drei Stunden, 54 Minuten und 18,15 Sekunden. Die H4 zeigt - wenn man ihren Gang berücksichtigt - einen Unterschied von drei Stunden, 54 Minuten und 57,27 Sekunden an. Ihre Abweichung beträgt also nach einer Reise von 46 Tagen exakt 39,12 Sekunden. Damit ist die Uhr dreimal so präzise, wie im Longitude Act gefordert!

Am 4. Juni 1764 reist William von Barbados zurück nach England. Nun steht seinem Vater zweifellos das Preisgeld zu und die Längenkommission erkennt das Ergebnis nun endlich an - aber sie macht neue Einwände geltend: Sie beruft sich auf eine Klausel des Longitude Acts, wonach eine preiswürdige Methode zur Längenbestimmung auf See "praktisch anwendbar und brauchbar" sein muss. Aber lässt sich die teure H4 überhaupt nachbauen und zu vertretbaren Kosten in großer Stückzahl produzieren?

Schließlich erwirkt die Kommission einen neuen Parlamentsbeschluss; demnach wird das Preisgeld geteilt und seine Anzahlung an zusätzliche Bedingungen geknüpft. Harrison soll für die erste Hälfte der Summe seine Uhr vor einer Kommission auseinandernehmen und sie zusammen mit den drei erfolglosen Vorgängermodellen dem Board aushändigen. Unwillig geht der Erfinder darauf ein und erhält 10 000 Pfund (abzüglich einer bereits gezahlten Unterstützung von 2500 Pfund).

Für das restliche Geld soll Harrison zwei neue Exemplare der H4 bauen - aber ohne das Original als Vorlage. Sechs Jahre später ist Harrison, inzwischen ein Mann von 79 Jahren, mit einer Kopie der H4 fertig. Die Kommission besteht auf dem zweiten Exemplar. Der völlig zermürbte Uhrmacher weiß sich schließlich nicht mehr anders als mit einem Gesuch an den englischen König zu helfen. George III. empfängt William zu einer Audienz und erklärt dabei angeblich: "Bei Gott, Harrison, ich werde dafür sorgen, dass Ihnen Recht geschieht." Mit Unterstützung des Monarchen und auf Empfehlung eines unabhängigen Finanzausschusses richtet der Uhrmacher eine Eingabe an das englische Parlament.

Das Abgeordnetenhaus bestimmt schließlich im Jahr 1773, dass an den Erfinder weitere 8750 Pfund auszuzahlen sind. Damit addieren sich die Beträge, die Harrison im Laufe der Jahrzehnte erhalten hat, auf insgesamt über 23 000 Pfund - das ist mehr als die einstmals vorgesehene Prämie.

Aber der offizielle erste Preis der Längenkommission und damit die Anerkennung, das wohl schwierigste technologische Problem seiner Zeit gelöst zu haben, wird ihm nie zuerkannt!

Am 24. März 1776 stirbt John Harrison im Alter von 83 Jahren in London. Vier Jahre zuvor hat der Entdecker James Cook einen Nachbau der H4 mit auf seine zweite Südseereise genommen und war begeistert von ihrer Präzision. Diese „Kopie“ wurde aber nicht von Harrison selbst, sondern von dem britischen Uhrmacher Larcum Kendall (1719-1790) angefertigt und bekam den Namen K1. Mithilfe dieser Uhr zeichnet Cook erste Karten Australiens und Neuseelands.

Nach Harrisons Tod vereinfachen andere Uhrmacher seinen Schiffs-Chronometer, sodass er billiger zu produzieren ist.


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Bild 23 - James Cook 1770 an der australischen Küste. Quelle: Ann Ronan Pictures/ Print Collector/ Getty Images


Die East India Company, eine private Handelsgesellschaft, die mit skrupellosen Methoden den indischen Subkontinent erschließt, schafft ein Dutzend Exemplare für ihre Schiffe an.

1858 setzt die Royal Navy bereits 610 Schiffs-Chronometer ein. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts setzt sich Harrisons Erfindung endgültig gegen die Monddistanzmethode durch. Schiffe können nun gefahrloser die Weltmeere befahren, Geographen exaktere Karten zeichnen.

Wohl nicht zuletzt dank Harrisons Uhr blüht der englische Seehandel auf, begründet das Königreich ein Weltimperium. Seiner präzisen Uhr verdanken unzählige Seeleute ihr Leben. Deshalb halten heute viele Historiker die H4 für die wichtigste Uhr, die jemals gebaut wurde!



Textquellen: (auszugsweise) Wikipedia, GEOkompakt

Beste Grüße,
Frank
 
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