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Marinechronometer

Das Marine-„Chronometer“ von Jeremy Thacker benutzte Kardanringe und ein Vakuum in einer Glasglocke.

Weitere Informationen: Geschichte der geographischen Länge

Um eine Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen, ist es notwendig und ausreichend, den Breitengrad, den Längengrad und die Höhe zu kennen. Bei Schiffen, die auf Meereshöhe fahren, kann die Höhe natürlich vernachlässigt werden. Bis Mitte der 1750er Jahre war die genaue Navigation auf See außerhalb der Sichtweite von Land ein ungelöstes Problem, da die Berechnung des Längengrads schwierig war. Die Seefahrer konnten ihren Breitengrad bestimmen, indem sie den Winkel der Sonne zur Mittagszeit maßen (d. h. wenn sie ihren höchsten Punkt am Himmel erreicht hatte) oder, auf der Nordhalbkugel, den Winkel des Polarsterns (des Nordsterns) zum Horizont (normalerweise während der Dämmerung). Um ihren Längengrad zu bestimmen, benötigten sie jedoch einen Zeitstandard, der an Bord eines Schiffes funktionierte. Die Beobachtung regelmäßiger Himmelsbewegungen, wie z. B. Galileis Methode, die auf der Beobachtung der natürlichen Jupitersatelliten beruhte, war auf See aufgrund der Schiffsbewegungen normalerweise nicht möglich. Die Methode der Monddistanzen, die ursprünglich von Johannes Werner 1514 vorgeschlagen wurde, wurde parallel zum Marinechronometer entwickelt. Der niederländische Wissenschaftler Gemma Frisius schlug 1530 als erster die Verwendung eines Chronometers zur Bestimmung der geografischen Länge vor.

Der Zweck eines Chronometers besteht darin, die Zeit eines bekannten festen Ortes genau zu messen, zum Beispiel die Greenwich Mean Time (GMT). Dies ist besonders wichtig für die Navigation. Die Kenntnis der GMT am lokalen Mittag ermöglicht es einem Navigator, die Zeitdifferenz zwischen der Position des Schiffes und dem Meridian von Greenwich zu nutzen, um den Längengrad des Schiffes zu bestimmen. Da sich die Erde regelmäßig dreht, kann die Zeitdifferenz zwischen dem Chronometer und der Ortszeit des Schiffes verwendet werden, um die Länge des Schiffes in Bezug auf den Meridian von Greenwich (definiert als 0°) mithilfe der sphärischen Trigonometrie zu berechnen. In der modernen Praxis ermöglichen es ein nautischer Almanach und trigonometrische Visier-Reduktionstabellen den Seefahrern, die Sonne, den Mond, die sichtbaren Planeten oder einen von 57 ausgewählten Sternen für die Navigation zu jeder Zeit zu messen, wenn der Horizont sichtbar ist.

Die Entwicklung eines Zeitmessers, der auf See zuverlässig funktioniert, war schwierig. Bis zum 20. Jahrhundert waren die besten Zeitmesser Pendeluhren, aber sowohl das Rollen eines Schiffes auf See als auch die Schwankungen der Erdanziehungskraft von bis zu 0,2 % machten ein einfaches, auf der Schwerkraft basierendes Pendel sowohl in der Theorie als auch in der Praxis unbrauchbar.

Erste BeispieleBearbeiten

Henry Sully (1680-1729) präsentierte 1716 ein erstes Marinechronometer

Christiaan Huygens, nach seiner Erfindung der Pendeluhr im Jahr 1656, unternahm 1673 in Frankreich unter der Schirmherrschaft von Jean-Baptiste Colbert den ersten Versuch eines Marinechronometers. Im Jahr 1675 erfand Huygens, der von Ludwig XIV. eine Pension erhielt, einen Chronometer, der anstelle eines Pendels eine Unruh und eine Spiralfeder zur Regulierung einsetzte und damit den Weg für Marinechronometer und moderne Taschen- und Armbanduhren ebnete. Er erhielt von Colbert ein Patent für seine Erfindung, aber seine Uhr blieb auf See ungenau. Huygens‘ Versuch, 1675 ein englisches Patent von Karl II. zu erhalten, regte Robert Hooke an, der behauptete, schon Jahre zuvor eine federgetriebene Uhr entwickelt zu haben, und der diese auch patentieren lassen wollte. Im Laufe des Jahres 1675 lieferten Huygens und Hooke jeweils zwei solcher Geräte an Charles, aber keines funktionierte gut, und weder Huygens noch Hooke erhielten ein englisches Patent. Während dieser Arbeit formulierte Hooke das so genannte Hooke’sche Gesetz.

H1 Marinechronometer von John Harrison aus dem Jahr 1735

Die erste Veröffentlichung des Begriffs erfolgte 1684 im Arcanum Navarchicum, einer theoretischen Arbeit des Kieler Professors Matthias Wasmuth. Es folgte eine weitere theoretische Beschreibung eines Chronometers in einem Werk des englischen Wissenschaftlers William Derham aus dem Jahr 1713. Derhams Hauptwerk, Physico-theology, oder eine Demonstration des Wesens und der Eigenschaften Gottes anhand seiner Schöpfungswerke, schlug auch die Verwendung einer Vakuumversiegelung vor, um eine größere Genauigkeit beim Betrieb von Uhren zu gewährleisten. Versuche, ein funktionierendes Marinechronometer zu konstruieren, wurden 1714 von Jeremy Thacker in England und zwei Jahre später von Henry Sully in Frankreich unternommen. Sully veröffentlichte seine Arbeit 1726 unter dem Titel Une Horloge inventée et executée par M. Sulli, aber weder seine noch Thackers Modelle waren in der Lage, dem Seegang zu widerstehen und unter den Bedingungen an Bord die Zeit genau einzuhalten.

Zeichnungen von Harrisons Chronometer H4 von 1761, veröffentlicht in The principles of Mr Harrison’s time-keeper, 1767.

Im Jahr 1714 schrieb die britische Regierung einen Preis für eine Methode zur Bestimmung des Längengrads auf See aus, wobei die Preise je nach Genauigkeit zwischen 10.000 und 20.000 Pfund (2 bis 4 Millionen Pfund im Jahr 2021) lagen. John Harrison, ein Zimmermann aus Yorkshire, reichte 1730 ein Projekt ein und stellte 1735 eine Uhr fertig, die auf einem Paar gegenläufig schwingender gewichteter Balken basierte, die durch Federn verbunden waren und deren Bewegung nicht durch die Schwerkraft oder die Bewegung eines Schiffes beeinflusst wurde. Seine ersten beiden Seeuhren H1 und H2 (1741 fertiggestellt) nutzten dieses System, aber er stellte fest, dass sie grundsätzlich empfindlich auf die Zentrifugalkraft reagierten und daher auf See nie genau genug sein konnten. Der Bau seiner dritten Maschine (H3) im Jahr 1759 umfasste neuartige kreisförmige Unruhen und die Erfindung des Bimetallbandes und der Käfigrollenlager, Erfindungen, die noch immer weit verbreitet sind. Die Kreisunruhen von H3 erwiesen sich jedoch immer noch als zu ungenau, und er gab die großen Maschinen schließlich auf.

Ferdinand Berthouds Marinechronometer Nr. 3, 1763

Harrison löste die Präzisionsprobleme 1761 mit seinem viel kleineren Chronometerentwurf H4. H4 sah ähnlich aus wie eine große Taschenuhr mit einem Durchmesser von 12 cm. 1761 reichte Harrison das H4 für den mit 20 000 Pfund dotierten Preis für den Längengrad ein. Sein Entwurf sah eine schnell schlagende Unruh vor, die von einer temperaturkompensierten Spiralfeder gesteuert wurde. Diese Merkmale wurden beibehalten, bis stabile elektronische Oszillatoren die Herstellung sehr genauer tragbarer Uhren zu erschwinglichen Kosten ermöglichten. Im Jahr 1767 veröffentlichte das Board of Longitude eine Beschreibung seiner Arbeit in The Principles of Mr. Harrison’s time-keeper. Eine französische Expedition unter der Leitung von Charles-François-César Le Tellier de Montmirail führte 1767 an Bord der Aurore die erste Messung des Längengrads mit Hilfe von Marinechronometern durch.

Moderne EntwicklungBearbeiten

Pierre Le Roy Marinechronometer, 1766, fotografiert im Musée des Arts et Métiers in Paris

In Frankreich erfand Pierre Le Roy 1748 die für moderne Chronometer charakteristische Rasthemmung. 1766 schuf er ein revolutionäres Chronometer, das die Hemmung, die temperaturkompensierte Unruh und die isochrone Unruhspirale integrierte: Harrison zeigte die Möglichkeit eines zuverlässigen Chronometers auf See auf, aber diese Entwicklungen von Le Roy werden von Rupert Gould als die Grundlage des modernen Chronometers angesehen. Le Roys Innovationen machten das Chronometer zu einem viel genaueren Gerät, als man erwartet hatte.

Harrison’s Chronometer H5 von 1772, jetzt ausgestellt im Science Museum, London

Ferdinand Berthoud in Frankreich sowie Thomas Mudge in Großbritannien stellten ebenfalls erfolgreich Marinezeitmesser her. Obwohl keine von ihnen einfach war, bewiesen sie, dass Harrisons Entwurf nicht die einzige Antwort auf das Problem war. Die größten Fortschritte auf dem Weg zur Praktikabilität machten Thomas Earnshaw und John Arnold, die 1780 vereinfachte, losgelöste Hemmungen entwickelten und patentieren ließen, die Temperaturkompensation in die Unruh verlegten und die Konstruktion und Herstellung von Unruhspiralen verbesserten. Diese Kombination von Innovationen bildete die Grundlage der Marinechronometer bis zum elektronischen Zeitalter.

Ferdinand Berthoud Chronometer Nr. 24 (1782), ausgestellt im Musée des Arts et Métiers, Paris

Die neue Technologie war anfangs so teuer, dass nicht alle Schiffe mit Chronometern ausgestattet waren, wie die verhängnisvolle letzte Fahrt der East Indiaman Arniston zeigte, die mit 372 Toten Schiffbruch erlitt. Ab 1825 begann die Royal Navy jedoch, ihre Schiffe routinemäßig mit Chronometern auszustatten.

Es war damals üblich, dass die Schiffe eine Zeitkugel, wie die des Royal Observatory in Greenwich, beobachteten, um ihre Chronometer zu überprüfen, bevor sie zu einer langen Reise aufbrachen. Jeden Tag ankerten die Schiffe kurz in der Themse bei Greenwich und warteten darauf, dass der Ball des Observatoriums um genau 13 Uhr fiel. Diese Praxis war zu einem kleinen Teil dafür verantwortlich, dass die Greenwich-Zeit später als internationaler Standard eingeführt wurde. (Zeitkugeln wurden um 1920 mit der Einführung von Funkzeitsignalen überflüssig, die ihrerseits weitgehend von der GPS-Zeit abgelöst wurden.) Schiffschronometer wurden nicht nur vor dem Auslaufen auf See eingestellt, sondern auch während der Fahrt durch Mond- oder Sonnenbeobachtungen auf ihre Genauigkeit überprüft. In der Regel wurde das Chronometer an einem geschützten Ort unter Deck montiert, um Beschädigungen und Witterungseinflüsse zu vermeiden. Mit dem Chronometer stellten die Seeleute eine so genannte Hackuhr ein, die an Deck getragen wurde, um die astronomischen Beobachtungen durchzuführen. Die Hack-Uhr war zwar viel ungenauer (und teurer) als der Chronometer, aber für eine kurze Zeit nach dem Einstellen (d.h. lange genug, um die Beobachtungen zu machen) zufriedenstellend.

Obwohl die industriellen Produktionsmethoden die Uhrmacherei ab Mitte des 19. Um die Wende zum 20. Jahrhundert machten Schweizer Hersteller wie Ulysse Nardin große Fortschritte bei der Einführung moderner Produktionsmethoden und der Verwendung vollständig austauschbarer Teile, aber erst mit Beginn des Zweiten Weltkriegs perfektionierte die Hamilton Watch Company in den Vereinigten Staaten den Prozess der Massenproduktion, der es ihr ermöglichte, Tausende ihrer Hamilton-Chronometer Modell 21 und Modell 22 des Zweiten Weltkriegs für die United States Navy & Army und andere alliierte Marinen zu produzieren. Trotz des Erfolges von Hamilton verschwanden die Chronometer nach alter Art in der Ära der mechanischen Zeitmesser nie vom Markt. Thomas Mercer Chronometers gehört zu den Unternehmen, die sie nach wie vor herstellen.

Ohne ihre Genauigkeit und die Präzision der Navigationsleistungen, die die Marinechronometer ermöglichten, wäre der Aufstieg der Royal Navy und damit des Britischen Empire vielleicht nicht so überwältigend gewesen; die Bildung des Empire durch Kriege und die Eroberung von Kolonien im Ausland fiel in eine Zeit, in der die britischen Schiffe dank der Chronometer über eine zuverlässige Navigation verfügten, während ihre portugiesischen, niederländischen und französischen Gegner dies nicht taten. Ein Beispiel: Die Franzosen waren vor den Briten in Indien und an anderen Orten gut etabliert, wurden aber im Siebenjährigen Krieg durch Seestreitkräfte besiegt.

Die vollständigste internationale Sammlung von Marinechronometern, einschließlich Harrisons H1 bis H4, befindet sich im Royal Observatory, Greenwich, in London, Großbritannien.

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