Er hat gerade einen Leuchtturm renoviert. Warum wurde ihm dann dieses Jahr der Nobelpreis verliehen?

Im Jahr 1912 beschloss die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften, den Nobelpreis für Physik des Jahres an den schwedischen Ingenieur Nils Gustav Dahren zu verleihen. Als die Nachricht herauskam, herrschte in der akademischen Gemeinschaft Aufruhr. Auch heute, hundert Jahre später, gibt es noch immer einige Beschwerden über die diesjährige Auszeichnung.

Das ist nicht überraschend. Betrachtet man die Geschichte des Nobelpreises für Physik, so wurden in den meisten Jahren Grundlagenforschung und theoretische Errungenschaften mit den Preisen ausgezeichnet. Nur wenige Menschen haben Auszeichnungen für ihre technischen Anwendungen erhalten, wie etwa Lippmann (1908), der Erfinder der Farbfotografie, Marconi und Bryan (1909), die den drahtlosen Telegrafen erfanden, und Kilby (2000), der Erfinder des integrierten Schaltkreises. Darrens preisgekrönte Leistungen sind nicht nur eher auf den Ingenieurbereich ausgerichtet, sondern haben auch einen engeren Anwendungsbereich – die von ihm hergestellten Gasspeicher und automatischen Ventile dienten lediglich der automatischen Steuerung von Leuchttürmen, was dem Nobelpreisstandard „größter Beitrag für die Menschheit“ nicht zu entsprechen scheint. Noch wichtiger ist, dass heute, mehr als hundert Jahre später, die praktischen Funktionen des Leuchtturms selbst aufgrund der weitverbreiteten Anwendung des GPS, des automatischen Schiffsidentifikationssystems und des zivilen Radars im Wesentlichen ersetzt wurden. Verdient Darren, der lediglich technologische Neuerungen am Leuchtturm vornahm, wirklich die Ehre des Nobelpreises für Physik?

Tatsächlich ist es nicht schwer, die Antwort auf diese Frage zu finden, wenn wir einen tiefen Einblick in die Entwicklungsgeschichte und Bedeutung von Leuchttürmen haben.

Ein Leuchtturm ist mehr als nur ein einfaches „Licht + Turm“

Bildquelle: Tuchong Creative

Für diejenigen, die mit der Geschichte der Leuchttürme nicht vertraut sind, sehen Leuchttürme auf der ganzen Welt ungefähr gleich aus – es handelt sich lediglich um ein helles Licht, das auf der Spitze eines Turms am Meer leuchtet. Genau genommen ist dieses Verständnis nicht falsch. Da die Navigationsaktivitäten der Menschen in der Frühzeit vor allem in Küstennähe stattfanden, wurden die meisten Leuchttürme damals an den Küsten von Hafenstädten oder auf Inseln errichtet. Nehmen Sie als Beispiel den Leuchtturm von Alexandria, der als eines der sieben Weltwunder gilt. Es handelt sich um einen 100 Meter großen quadratischen Turm, der auf der Pharos-Insel in Alexandria errichtet wurde. Tagsüber wird das Sonnenlicht durch den riesigen Metallspiegel auf der Turmspitze reflektiert. Bei Einbruch der Dunkelheit wird die Kohlenpfanne vor dem Metallspiegel angezündet und das vom Pflanzenöl ausgestrahlte Licht wird vom Spiegel reflektiert, um den Zweck der Schiffsführung zu erfüllen.

In den mehr als tausend Jahren seitdem haben sich die Bauweise und das Funktionsprinzip der Leuchttürme nicht wesentlich geändert, doch die Erschließung und Nutzung des Ozeans durch den Menschen hat sich weiter vertieft. Einige Schiffe fuhren weit von der Küste entfernt ins Hinterland des Ozeans, und die unter der Wasseroberfläche verborgenen Riffe wurden für die Seeleute zu einem unauslöschlichen Albtraum.

Der Bau eines Leuchtturms als Orientierungshilfe auf einem isolierten Riff im Ozean, das anfällig für Schiffswracks ist, scheint eine gute Lösung des Problems zu sein, aber es ist nicht einfach, diese Vision zu verwirklichen. Im Jahr 1698 errichteten die Briten auf den Whirlpool Rocks vor der Küste von Plymouth einen rein hölzernen Leuchtturm, der jedoch nur fünf Jahre später von riesigen Wellen zerstört wurde. Im Jahr 1708 wurde an der ursprünglichen Stelle ein weiterer Leuchtturm aus Holz und Stahl wiederaufgebaut, der jedoch 1755 ebenfalls durch einen Brand zerstört wurde. Erst 1759 verwendete der britische Ingenieur John Smith Stein und Beton als Baumaterialien, um die Stabilität des Leuchtturms zu erhöhen. Er hat außerdem eine Außenstruktur ähnlich dem kleinen Taillenturm in Guangzhou, meinem Land, gewählt, um die Auswirkungen großer Wellen zu verringern. Damit wurde der weltweit erste wirklich auf hoher See errichtete Ozeanleuchtturm, der Smithsonian Lighthouse, endlich fertiggestellt.

Heller, leichter, stabiler, das Licht auf dem Leuchtturm ist die Seele

Smiths Innovation löste das Problem, einen Turm auf einem isolierten Riff im Ozean zu bauen, doch im Vergleich zum Turm selbst ist das Licht des Leuchtturms das Wichtigste. Als der Smeaton-Leuchtturm gebaut wurde, unterschied sich der leuchtende Teil des Leuchtturms nicht grundsätzlich von dem des Leuchtturms von Alexandria. Obwohl man zur Erhöhung der Helligkeit Walfett statt Pflanzenöl verwendete, die Kohlenpfanne zur Stabilisierung auf einer Quecksilberoberfläche schwimmen ließ und der zur Lichtreflexion verwendete Reflektor auf einen Federantrieb umgerüstet wurde, um eine gleichmäßige Rotation zu gewährleisten, wies der Leuchtturm immer noch Mängel auf, wie etwa eine unzureichende Helligkeit der Lichtquelle und eine unzureichende Projektionsdistanz. Besonders in der Tiefsee mit ihren rauen Wetterbedingungen würde die heftige Meeresbrise nicht nur die Flammen hin und her blasen und die Helligkeit beeinträchtigen, sondern auch oft die Lichter ausblasen und Riffunfälle verursachen.

Glücklicherweise ermöglichte die Erfindungswelle der Industriellen Revolution, die bereits ihren Höhepunkt erreichte, die Beseitigung dieser Mängel. Im Jahr 1782 entdeckte die Erfinderin Aimee Argand, dass man durch die Abdeckung der Flamme mit einem röhrenförmigen Glas nicht nur den Einfluss des Windes eliminieren, sondern der Flamme auch ermöglichen konnte, höher und intensiver zu brennen. Lampen mit Röhrendochten von Argand können die Helligkeit im Vergleich zur direkten Verbrennung von Öl um das Sechs- bis Siebenfache erhöhen! Wenn der Reflektor hinter der Flamme durch eine konvexe Linse vor der Flamme ersetzt wird, kann die Reichweite des Lichts erheblich erhöht werden.

Doch es folgten neue Probleme. Die riesige Konvexlinse war nicht nur teuer, sondern auch sehr schwer. Zusammen mit den mitrotierenden mechanischen Teilen wurde das Gesamtgewicht der gesamten Lichtquellenkomponenten des Leuchtturms immer größer. Einige kleine Leuchttürme könnten ein solches Lichtquellensystem einfach nicht tragen. Dieses Problem wurde erst 1823 vom französischen Ingenieur Augustin Jean Nefill gelöst, der eine dünnere Gewindelinse verwendete, um die Leistung einer konvexen Linse bei der Brechung parallelen Lichts beizubehalten und gleichzeitig das Gewicht und die Kosten der Linse erheblich zu reduzieren. Nachdem er dieses Objektiv am Leuchtturm Godouen an der Mündung der Gironde ausprobiert hatte, stellte er fest, dass das Licht des Leuchtturms aus 32 Kilometern Entfernung deutlich sichtbar war. Dieser Linsentyp wird auch heute noch häufig verwendet und ist beispielsweise bei Autoscheinwerfern und Blitzlichtern von Mobiltelefonen zu sehen.

Die Leuchtturmtechnologie entwickelte sich rasant weiter, doch damals gab es zu wenige Leuchttürme. Die Bewachung eines Leuchtturms erfordert menschliches Eingreifen. Diese isolierten Leuchttürme im Meer müssen groß genug gebaut werden, um den Lebensunterhalt der Leuchtturmwärter langfristig zu sichern. Zusammen mit dem enormen Treibstoffverbrauch sind die Kosten für den Bau und die Instandhaltung eines Leuchtturms enorm. Im gesamten 19. Jahrhundert konnten selbst die fortschrittlichsten Seemächte nur eine kleine Zahl von Leuchttürmen in wichtigen Seegebieten errichten. Für Seeleute war das Segeln noch immer voller Risiken. Wenn sie sicher und reibungslos um die Welt reisen wollten, mussten sie auf die entscheidende Innovation unter der Führung von Darren warten.

Wohltäter und Leitstern der Seeleute

Darrens Heimatland Schweden hat eine lange Küste und viele Inseln und benötigte schon immer dringend billigere und zuverlässigere Leuchtturmtechnologie. In dieser Zeit kam Darren, der bei der Swedish Gas Tank Company arbeitete, mit Leuchttürmen in Berührung. Zu dieser Zeit war Darren von der technischen Forschung im Bereich der Lagerung und des Transports von Acetylen besessen. Zuvor hatte man entdeckt, dass Acetylen helles weißes Licht aussenden kann und dass seine Verbrennungseffizienz viel höher ist als die von Öl. Allerdings ist Acetylen sehr schwierig zu lagern und zu transportieren, da es insbesondere bei Stößen gegen den Behälter sehr leicht explodieren kann. Um dieses Problem zu lösen, löste Darren das Acetylen zunächst in Aceton auf und goss es dann bei zehnmal höherem atmosphärischen Druck in einen Gastank mit mikroporöser Innenseite. Diese praktische Technologie wurde bald bei Leuchttürmen eingesetzt. Um den Acetylenverbrauch weiter zu senken, entwickelte Darren erneut ein automatisches Gasventil, das sich am tatsächlichen Bedarf von Leuchttürmen orientiert. Er fand heraus, dass Leuchttürme nicht ständig beleuchtet sein müssen. Die Brenndauer der Acetylenlampe betrug lediglich 1/10 bis 1/30 Sekunde. Der kurze Blitz genügte, damit Schiffe in der Ferne sie entdecken konnten. Durch einen Blitz alle paar Sekunden könnte 1 Liter Acetylen Tausende von Blitzen abgeben. Wenn die Frequenz der Blitze von jedem Leuchtturm unterschiedlich war, mussten die Seeleute nur den Unterschied in der Frequenz der Blitze beobachten, um zu wissen, welchen Leuchtturm sie beobachteten.

Um die Automatisierung des Leuchtturms weiter zu verbessern, erfand Darren 1907 den Tageslichtschalter. Dieses Gerät besteht aus vier in einer Vakuumglasröhre versiegelten Metallstäben, von denen drei mit hoher Präzision auf die ursprüngliche Metallfarbe poliert und der untere schwarz lackiert ist. Bei Sonneneinstrahlung absorbiert der schwarze Metallstab Wärme und dehnt sich schneller aus als die anderen drei, wodurch der Gasventilschalter blockiert wird und das Licht erlischt. Wenn das Sonnenlicht schwächer wird, schrumpft der schwarze Metallstab auf die gleiche Länge wie die anderen Metallstäbe, das Gasventil wird angeschlossen und das Licht wird erneut gezündet.

Mithilfe dieser drei Erfindungen kann die Beleuchtungsanlage des Leuchtturms automatisch und ohne menschliches Eingreifen betrieben werden und der Gesamtkraftstoffverbrauch konnte drastisch um 97 % gesenkt werden! Nach der Inbetriebnahme im Jahr 1907 reduzierte dieses Gerät die Kosten eines Leuchtturms von ursprünglich 200.000 Kronen auf 9.000 Kronen, und auch die jährlichen Betriebskosten sanken von 25.000 Kronen auf 60 Kronen! In den folgenden Jahren erfasste eine Welle bahnbrechender Innovationen die Welt. In den ursprünglich abgelegenen und gefährlichen Gewässern tauchten zahllose unbemannte Leuchttürme und automatische Navigationszeichen auf. Auch im Bereich der automatisierten Steuerung der Stadtbeleuchtung fanden Tageslichtschalter breite Anwendung und die Acetylenspeichertechnologie wird bis heute beim Metallschneiden und -schweißen eingesetzt.

Mit der Entwicklung neuer Technologien sind Leuchttürme und die vielen technologischen Innovationen, die von Forschern wie Darren für Leuchttürme entwickelt wurden, allmählich in Vergessenheit geraten. Im Kontext der damaligen Zeit brachten diese technischen Innovationen jedoch außerordentliche soziale und wirtschaftliche Vorteile mit sich. Lichtstrahlen fegten über das Meer, retteten unzählige Schiffe aus Seenot und entfachten in den Herzen unzähliger Seefahrer die Hoffnung auf eine Heimkehr. Aus diesem Grund nannten die Seeleute Darren liebevoll „den Wohltäter und das leuchtende Vorbild“. Auch heute noch ist diese Geschichte aus heutiger Sicht sehr bedeutsam: Die wissenschaftliche Erforschung ermöglicht es uns, die Welt aus einer neuen Perspektive zu verstehen, und die Anwendung wissenschaftlich fundierter Technologien hilft uns, die Welt ständig neu zu gestalten. Ist aus dieser Perspektive nicht die Geschichte, die sich auf dem Leuchtturm selbst zugetragen hat, ein Leuchtfeuer wissenschaftlichen Geistes, das den Weg nach vorne weist?

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.
Autor: Wanderwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Wang Yangzong, Direktor des Forschungszentrums für Geschichte der Chinesischen Akademie der Wissenschaften