Bau von Ctesibius' Kraftpumpe – Die erste doppeltwirkende Kolbenpumpe

Die doppeltwirkende Kraftpumpe hat zwei Zylinder, die in paralleler Gegenläufigkeit arbeiten. Bezeichne sie als Zylinder A und Zylinder B. Wenn Kolben A nach unten drückt (Förderhub): Das Einlassventil A schließt sich (verhindert Rückfluss in die Wasserquelle), das Auslassventil A öffnet sich (drückt Wasser in das gemeinsame Auslassrohr), während gleichzeitig Kolben B nach oben zieht (Saughub): Das Einlassventil B öffnet sich (saugt Wasser aus der Quelle in Zylinder B), das Auslassventil B schließt sich (verhindert, dass Auslasswasser zurück in Zylinder B fließt). Beim Rückhub tauschen A und B ihre Rollen.

Das Ergebnis ist, dass der Auslass bei jedem halben Hub des Schwenkbalkens Wasser erhält – also einen nahezu kontinuierlichen Durchfluss. Die Rückschlagventile sind die entscheidenden Bauteile: Wenn ein Einlassventil undicht ist (Rückfluss beim Förderhub zulässt), verliert der Zylinder seine Ansaugfüllung und fördert Luft statt Wasser. Wenn ein Auslassventil undicht ist, sinkt der Förderdruck, und der Durchfluss kehrt sich bei den Saughüben um. Fertige alle vier Rückschlagventile mit der gleichen Sorgfalt wie die Zylinder selbst.

Die Zylinder müssen eine glatte, gleichmäßige Bohrung haben, damit der Kolben wirksam abdichtet. Bronze (eine Legierung aus Kupfer und Zinn, typischerweise 88–90 % Kupfer und 10–12 % Zinn nach Masse) ist das richtige Material – sie widersteht Korrosion, lässt sich nahezu formgetreu gießen und kann durch Bohren und Schaben zu einer glatten Innenfläche verarbeitet werden. Gieße jeden Zylinder als dickwandiges Rohr mit etwa 5 cm Innendurchmesser, 20 cm Länge und 1,5 cm Wandstärke. Die Pumpe von Pompeji verwendete Zylinder mit etwa 4–5 cm Durchmesser – groß genug, um einen nutzbaren Durchfluss von 5–10 Litern pro Minute bei 60 Hüben pro Minute zu liefern.

Nach dem Gießen wird das Zylinderinnere mit einer Bohrstange aus Hartholz, die mit einer Schabklinge versehen ist, geglättet; angetrieben wird sie durch einen Bogenbohrer oder eine Handkurbel. Arbeite die Bohrstange in langen Zügen und schmiere dabei mit Olivenöl, bis die Bohrung so glatt ist, dass eine ins Innere gehaltene Kerzenflamme keine sichtbaren Narben oder Grate zeigt. Prüfe die Rundheit der Bohrung mit einer Stopfenlehre (einem gedrehten Bronzestab, der 0,5 mm kleiner ist als der Sollduchmesser der Bohrung) – sie sollte frei gleiten, ohne zu wackeln.

Jeder Kolben muss mit einem Spiel von 0,5–1 mm in die Zylinderbohrung passen – eng genug, dass eine Lederdichtung den Spalt abdichten kann, aber locker genug, dass sich der Kolben durch Wärmeausdehnung oder leichte Unregelmäßigkeiten der Bohrung nicht verklemmt. Drehen oder feilen Sie den Kolben auf eine enge Passung zum Zylinder und prüfen Sie dabei laufend mit dem tatsächlichen Zylinder als Lehre. Die Kolben der Pumpe von Pompeji waren Bronzescheiben von etwa 3 cm Höhe und mit eisernen Pleuelstangen an den Betriebsbalken darüber angeschlossen.

Bearbeiten Sie eine umlaufende Nut von 5 mm Breite × 5 mm Tiefe rund um die Außenfläche jedes Kolbens, etwa 1 cm von der Oberseite entfernt. Diese Nut nimmt die Lederdichtung auf, die den Spalt zwischen Kolben und Bohrung abdichtet. Schneiden Sie einen Streifen dickes pflanzlich gegerbtes Leder (2 mm dick) auf genau den Kolbenumfang in der Länge zu und 8 mm breit, weichen Sie ihn 30 Minuten in Olivenöl ein, damit er geschmeidig wird, und drücken Sie ihn dann in die Nut. Das durch das Öl aufgequollene Leder füllt die Nut aus und liegt an der Zylinderbohrung an und bildet so eine druckdichte Laufdichtung.

Jedes Rückschlagventil besteht aus einer Bronzescheibe (dem Ventilsitz) mit einem zentralen Loch von 1,5 cm Durchmesser und einer etwas größeren Bronzescheibe (der Klappe) von 2 cm Durchmesser und 1 mm Dicke, die so angebracht ist, dass sie das Sitzloch von einer Seite abdeckt. Wenn der Druck von unterhalb des Sitzes drückt, hebt sich die Klappe und lässt den Durchfluss zu. Kehrt sich der Druck um, dichtet die Klappe das Sitzloch ab und verhindert den Rückfluss. Sitz und Klappe müssen eingeschliffen werden (gemeinsam mit feiner Schleifpaste geschliffen – pulverisiertes Schmirgelpulver gemischt mit Olivenöl), bis sie eine plan-auf-plan-Dichtung bilden, ohne sichtbaren Lichtspalt, wenn man sie gegen eine Kerze hält.

Alternativ können Kugelrückschlagventile verwendet werden: eine Kugel aus Bronze oder Eisen, etwas größer als das Sitzloch, die lose in einem Käfig oberhalb des Sitzes gehalten wird. Die Kugel fällt durch die Schwerkraft und den Gegendruck auf den Sitz und verschließt das Loch; Vorwärtsdruck hebt die Kugel vom Sitz ab. Kugelventile sind einfacher herzustellen als Klappenventile und neigen weniger zum Festklemmen. Die Pumpe von Pompeji verwendete Schwenkplattenventile, die der Klappenbauweise ähneln.

Jeder Zylinder benötigt zwei Ventilgehäuse: eines unten für das Einlass-Rückschlagventil (zieht Wasser aus der Quelle in den Zylinder beim Saughub) und eines oben für das Auslass-Rückschlagventil (fördert Wasser zum gemeinsamen Auslass beim Druckhub). Das Einlass-Ventilgehäuse wird mit einem untergetauchten Zulaufrohr oder Saugrohr verbunden, das in die Wasserquelle eingetaucht ist. Das Auslass-Ventilgehäuse wird mit dem gemeinsamen Auslassrohr verbunden, das zum Abgabepunkt führt.

Die Ventilgehäuse aus Bronze gießen oder löten, mit Gewinde- oder Presspassungsverbindungen zu den Zylinderenden. Der Einlassanschluss sollte nach unten oder seitlich zeigen; der Auslass sollte nach oben zeigen und an den gemeinsamen Auslassverteiler oberhalb beider Zylinder angeschlossen werden. Die Rückschlagventile mit korrekter Ausrichtung in ihre Gehäuse einsetzen – ein Einlass-Rückschlagventil, das falsch herum eingebaut ist (es blockiert den Zufluss in den Zylinder statt den Rückfluss zu blockieren), ist der häufigste Montagefehler und führt zu einer Pumpe, die unabhängig davon, wie korrekt alles andere gebaut ist, kein Wasser fördert.

Der gemeinsame Auslasskrümmer ist ein Bronzekasten, der die Druckförderung von beiden Auslassrückschlagventilen aufnimmt und zu einem einzigen Auslassrohr zusammenführt. Er dient zugleich als Luftkammer (der „Pulsationsdämpfer“): Ein abgeschlossenes Luftpolster im Krümmer wird bei steigendem Förderdruck während jedes Kolbenhubs komprimiert und während des Saughalbhubs wieder entspannt. Dadurch wird die Druckschwankung geglättet und ein gleichmäßigerer Durchfluss erzeugt. Ohne dieses Luftpolster schießt und pulsiert der Durchfluss bei jedem Hub.

Gießen Sie den Krümmer mit einem Innenvolumen, das ungefähr dem Hubvolumen eines Zylinders entspricht (Kolbenfläche multipliziert mit der Hublänge). Bringen Sie oben einen abnehmbaren Stopfen an, damit das Luftpolster bei Bedarf mit Luft nachgefüllt werden kann, falls es sich im Laufe der Zeit mit Wasser füllt. Verbinden Sie die beiden Auslassventile der Zylinder mit der Unterseite des Krümmers und das Förderrohr seitlich. Der Durchmesser des Förderrohrs sollte mindestens dem Zylinderdurchmesser entsprechen, um den Auslassfluss nicht zu drosseln.

Der Betriebsbalken ist ein waagerechter Hebel, der in seiner Mitte auf einem Drehpfosten gelagert ist, wobei an jedem Ende des Balkens eine Kolbenstange angeschlossen ist. Wenn sich ein Ende des Balkens senkt (und einen Kolben nach unten drückt), hebt sich das andere Ende (und zieht den anderen Kolben nach oben). Diese Wippbewegung treibt die beiden Zylinder in exakter Gegenphase an – wenn Kolben A sich am unteren Ende seines Förderhubs befindet, ist Kolben B am oberen Ende seines Saughubs, und umgekehrt. Der Balken muss steif genug sein, um die volle Pumpkraft ohne Durchbiegung zu übertragen.

Fertigen Sie den Balken aus geradfaserigem Eichenholz mit einem Querschnitt von etwa 5 cm × 8 cm und einer Länge, die den gewünschten Hubweg ermöglicht. Bei einem Kolbenhub von 10 cm müssen sich die Balkenenden vertikal um 10 cm bewegen – bei einer halben Länge von 60 cm vom Drehpunkt bis zum Ende erfordert eine vertikale Endbewegung von 10 cm eine Winkeldrehung von arcsin(10/60) ≈ 10°, was für den manuellen Betrieb angenehm ist. Lagern Sie den Balken auf einem Bronzebolzen durch eine Drehpunktkonsole aus Hartholz oder Bronze, die oberhalb und zwischen den beiden Zylindern montiert ist.

Jeder Kolben ist über eine eiserne Kolbenstange mit etwa 1 cm Durchmesser mit dem entsprechenden Balkenende verbunden. Die Stange muss Druckkraft (beim Förderhub) und Zugkraft (beim Saughub) übertragen – das bedeutet, dass die Stange abwechselnd auf Zug und Druck beansprucht wird. Daher müssen die Verbindungen an beiden Enden formschlüssig sein (kein alleiniges Verlassen auf die Schwerkraft, um den Kontakt aufrechtzuerhalten). Befestigen Sie das obere Ende der Stange mit einem eisernen Gabelbolzen durch das Balkenende am Balken; das untere Ende der Stange befestigen Sie mit einem Querstift durch eine gebohrte Öffnung im Kolbenboden am Kolben.

Die Kolbenstange muss exakt senkrecht zur Zylinderbohrung ausgerichtet sein – jede Winkelabweichung erzeugt eine Seitenkraft, die den Kolben gegen die Zylinderwand drückt, die Reibung erhöht und den Verschleiß der Lederdichtung beschleunigt. Prüfen Sie die Ausrichtung, indem Sie den Kolben an seiner Stange in den Zylinder absenken, während sich der Balken in Mittelstellung befindet: Die Stange sollte lotrecht hängen, ohne die Zylinderwand zu berühren. Passen Sie die Position des Balkendrehpunkts oder die Zylindermontage so lange an, bis die Lotrechte erreicht ist.

Verbinden Sie die Einlassventilgehäuse mit einer gemeinsamen Saugleitung (oder einzelnen Saugrohren), die zur Wasserquelle führt. Die Saugleitung muss luftdicht sein – jede Undichtigkeit auf der Saugseite führt dazu, dass der Kolben Luft statt Wasser ansaugt, wodurch das Ansaugen unterbrochen wird. Die theoretische maximale Saughöhe einer Kolbenpumpe beträgt 10,3 Meter (entspricht dem Luftdruck, der eine Wassersäule trägt), in der Praxis ist jedoch 5–6 Meter die zuverlässige Grenze bei lederabgedichteten Kolben und mit Pinienpech abgedichteten Verbindungen statt maschinell bearbeitetem Metall.

Pumpe vor dem ersten Betrieb ansaugen (füllen): Füllen Sie die Zylinder und Ventilgehäuse vollständig mit Wasser, indem Sie es durch einen abnehmbaren Stopfen oben an jedem Zylinder eingießen. Das Füllwasser bildet die Flüssigkeitsdichtung, die es den Rückschlagventilen ermöglicht zu arbeiten und den Kolben, Saugdruck zu erzeugen. Ohne Ansaugen komprimieren und expandieren die Kolben die Luft wirkungslos – die Pumpe atmet nur, ohne Wasser zu fördern. Betätigen Sie den Balancier für die ersten 20 Hübe langsam von Hand, damit Luftblasen über den Auslass entweichen können, bevor Sie die volle Arbeitsgeschwindigkeit anwenden.

Bei 60 Hüben pro Minute (30 vollständige Zyklen des Wippbalkens) mit einem Hub von 10 cm und einer Bohrung von 5 cm (Hubvolumen pro Hub = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0,2 Liter) beträgt die theoretische Durchflussrate 0,2 × 30 × 2 Zylinder = 12 Liter pro Minute. Der tatsächliche Durchfluss liegt aufgrund von Ventilleckagen, Kolbenumgehung und Rohrreibung bei 70–80 % des theoretischen Werts – zu erwarten sind 8–10 Liter pro Minute. Dies entspricht der römischen Feuerwehranwendung: 10 Liter pro Minute ergeben einen beachtlichen Strahl, wenn sie bei 0,5–1 bar Überdruck durch eine Düse mit 1,5 cm Durchmesser abgegeben werden.

Den Förderdruck prüft man, indem man die Höhe misst, auf die die Pumpe Wasser aus einem senkrechten, offenen Rohr projizieren kann, das an den Auslasssammler angeschlossen ist. Eine Durchflussrate von 10 Liter pro Minute und eine Förderhöhe von 5 Metern (0,5 bar) entsprechen einer hydraulischen Leistung von etwa 8 Watt – nach heutigen Maßstäben bescheiden, aber erreicht mit einem kompakten, handbetriebenen Gerät von etwa 15–20 kg Gewicht, das von einer Person bedient werden kann. Die römische Feuerwehrversion (der Sipho) setzte für höhere Durchflussraten zwei Bediener am Balken ein.

Die Lederkolbendichtungen sind die wartungsintensivste Komponente. Lederpackungen schrumpfen und härten aus, wenn sie trocken und außerhalb von Wasser gelagert werden, und verlieren dadurch ihre Dichtwirkung. Wird die Pumpe für mehr als eine Woche außer Betrieb genommen, sollten die Lederdichtungen vor der Lagerung in Leinöl oder Tierfett getränkt werden, um Austrocknung zu verhindern. Bei der Wiederinbetriebnahme die Pumpe vor dem Entlüften und Betreiben 30 Minuten lang in Wasser einweichen – das Leder benötigt Zeit, um auf seine Dichtungsmaße aufzuquellen.

Das Einschleifen der Rückschlagventile (Nachschleifen der Dichtflächen von Sitz und Klappe) sollte jährlich oder immer dann durchgeführt werden, wenn die Förderleistung um mehr als 25 % gegenüber der Leistung bei der Inbetriebnahme abfällt. Die Ventilgehäuse-Verschlussstopfen entfernen, die Ventilklappen herausnehmen und Sitz und Klappe mit feiner Schleifpaste gemeinsam nachschleifen, bis die Dichtflächen rundum an der Sitzöffnung ein gleichmäßiges graues Tragbild ohne blanke (nicht tragende) Stellen zeigen. Ein richtig eingeschliffenes Rückschlagventil hält 1 bar Gegendruck ohne Leckage – die Prüfung erfolgt durch Beaufschlagung mit Luftdruck über einen Blasebalg und Kontrolle auf Blasenbildung an der Verbindungsstelle mit Seifenwasser.

Die römischen vigiles (Feuerwehr) wurden um 6 n. Chr. von Augustus gegründet und in sieben Kohorten auf die vierzehn Stadtbezirke Roms verteilt. Jede Kohorte führte mehrere sipho (ktesibianische Druckpumpen) mit sich, die auf fahrbaren Karren montiert waren und von einer Eimerkette aus dem nächstgelegenen Wasserbehälter oder Aquäduktabgriff befüllt wurden. Die historischen Quellen beschreiben Pumpen, die Wasser auf Brände im ersten Stockwerk spritzen konnten, was auf Arbeitsdrücke schließen lässt, die ausreichten, Wasser durch eine Düse 4–5 Meter hoch zu fördern – übereinstimmend mit den Auslegungsparametern dieser Blaupause.

Die Pumpe aus Pompeji, heute im Archäologischen Nationalmuseum in Neapel (Inventar 75202), ist das am besten erhaltene Beispiel: zwei Bronzezylinder mit 4,2 cm Innendurchmesser und 18 cm Hub, mit einem Schwinghebel, der an jedem Ende über Griffe betätigt wird. Die erhaltene Pumpe wiegt etwa 12 kg und konnte bei der Pumpgeschwindigkeit eines Mannes etwa 7–8 Liter pro Minute fördern. Das chronische Brandrisiko Roms in dicht bebauten Insulae (Mietshäusern) machte die Druckpumpe für die städtische Infrastruktur ebenso wichtig wie das Aquädukt, das ihr Wasser lieferte.