Obwohl aus antiken Zivilisationen keine belegten Windmühlen zur Produktion von Arbeit überliefert sind, zeigt Herons Beschreibung, dass Windkraft schon sehr früh als automatischer Antrieb für Geräte erkannt wurde. Die Idee, Naturkräfte zur mechanischen Unterstützung oder gar zum Ersatz menschlicher Tätigkeit zu nutzen, war also bereits im Altertum angelegt.
Windmühlen im Mittelalter: Drehbare Konstruktion durch Muskelkraft
Im Mittelalter verbreiteten sich Windmühlen in größerem Maßstab und wurden zu den „ersten großen Kraftmaschinen der Menschheitsgeschichte“. Vor allem im nordeuropäischen Raum setzte man sie zunehmend für das Mahlen von Getreide und andere Arbeitsprozesse ein, bei denen zuvor Tier- oder Muskelkraft nötig gewesen war.
Typen und Merkmale mittelalterlicher Windmühlen:
Mühlentyp | Zeitraum | Antrieb und Ausrichtung |
|---|---|---|
Bockwindmühle | ab 12. Jh. | Gesamter Mühlenkasten wurde gedreht |
Kappenwindmühle | ab 15.–17. Jh. | Nur die drehbare Haube wurde ausgerichtet |
Die Ausrichtung erfolgte durch Muskelkraft, oft über einen langen Hebel (Steert).
Der Müller oder seine Helfer mussten regelmäßig manuell die Windmühle an die Windrichtung anpassen.
Der Energieverlust durch suboptimale Ausrichtung konnte erheblich sein.
Dieses manuelle Nachführen war mühsam, ineffizient und fehleranfällig, zudem gefährlich bei plötzlich drehendem Wind oder Unwetter. Der Wunsch nach einer zuverlässigeren, selbsttätigen Steuerung wuchs.
Edmund Lees Erfindung (1745): Automatische Windnachführung
Im Jahr 1745 erfand der englische Schmied Edmund Lee eine Vorrichtung, die eine Windmühle selbständig der Windrichtung folgen ließ. Dabei handelte es sich um ein zusätzliches kleines Windrad (später Windrose genannt) mit Getriebe, montiert am hinteren Ende der Mühlenkappe.
Funktionsweise der Windrose:
Eine kleine Windrose ist im 90°-Winkel zur Hauptachse montiert.
Bei Windrichtungsänderung trifft der Wind seitlich auf die Windrose.
Die Windrose dreht sich und überträgt ihre Bewegung über ein Getriebe auf die Mühlenkappe.
Die Mühle richtet sich automatisch korrekt zum Wind aus.
Wenn die optimale Position erreicht ist, stoppt die Windrose, ein stabiler Gleichgewichtszustand entsteht.
Diese Erfindung entlastete den Müller vollständig von der manuellen Windnachführung und erhöhte die Verfügbarkeit sowie Energieausbeute der Anlage deutlich. Die Mühle arbeitete so auch bei leichten Richtungsänderungen ohne menschliches Eingreifen weiter.
Lees Patent umfasste sogar weitergehende Ansätze: Er beschrieb eine zusätzliche Vorrichtung, mit der die Segelflächen automatisch verkleinert oder vergrößert werden konnten, je nach Windstärke. Dieses sogenannte „self-regulating sail system“ setzte sich jedoch technisch nicht durch.
Bedeutung und Verbreitung der Windrose
Lees Vorrichtung gilt als eine der ersten selbstregulierenden Maschinen. Sie reagierte automatisch auf Veränderungen der Umwelt, ganz im Sinne späterer Automatisierungstechnik.
Vorteile der Windrose:
Stetige optimale Ausrichtung der Mühle bei Windwechsel
Höherer Energieertrag bei geringeren Ausfallzeiten
Einsparung menschlicher Arbeitskraft
Neue Einsatzbereiche (z. B. entlegene Wasserpumpen, Entwässerungsanlagen)
Erhöhung der Betriebssicherheit
Verbreitung:
Region | Zeitraum | Besonderheiten |
England | ab 1750 | Schnelle Verbreitung, auch Nachrüstungen |
Niederlande | ab 1800 | Zögerliche Annahme, teils ästhetische Vorbehalte |
Europa allgemein | 19. Jh. | Windrose wurde Standard bei großen Mühlen |
Der britische Ingenieur John Smeaton griff das Prinzip früh auf, verbesserte Materialien und Getriebe und verhalf der Technik zur breiten Akzeptanz. Auch auf dem europäischen Festland setzte sich die Windrose letztlich durch, insbesondere in industriellen und landwirtschaftlichen Kontexten.
Historische Relevanz für die Automatisierung
Die Windrose war nicht nur eine mechanische Hilfe, sondern eine frühe Umsetzung des Rückkopplungsprinzips:
Eine Maschine, die auf Änderungen ihrer Umgebung selbstständig so reagiert, wie es zur Erfüllung ihrer Aufgabe erforderlich ist.
Daher markiert Lees Erfindung:
Den Übergang von manuellen zu selbstregelnden Maschinen
Einen Vorläufer moderner Automatisierungssysteme
Eine Schlüsselinnovation der vorindustriellen Technikgeschichte
Einen Sonderfall früher mechanischer Sensorik und Aktorik
Weitere Entwicklungen (zeitlich nach Lee):
1787: Automatische Webmaschine von Edmund Cartwright
1788: Fliehkraftregler von James Watt (Dampfmaschinen)
1801: Jacquard-Webstuhl (mit Lochkartensteuerung)
Lees Windrose lässt sich somit als funktionaler Vorläufer dieser Systeme einordnen – sie verband Reaktion, Steuerung und Aktion in einem mechanischen Kreislauf ohne externe Kontrolle.