Marinechronometer: Wie die Uhrmacherkunst die Längenbestimmung möglich machte
Jahrhundertelang konnte ein Navigator die Breite durch Beobachtung der Sonne oder der Sterne bestimmen, wusste aber noch immer nicht hinreichend genau, wie weit er nach Osten oder Westen vorangekommen war. Die Länge erforderte eine zweite Bezugsgröße: die Zeit. Man musste die Uhrzeit eines bekannten Meridians an Bord mitführen und sie mit der astronomisch ermittelten Ortszeit vergleichen. Das Marinechronometer entstand, um diese Aufgabe zu erfüllen — und für die Uhrmacherei war es eines der schwierigsten technischen Probleme, die je einem rein mechanischen Mechanismus gestellt wurden.
Dieser Artikel behandelt das Thema vor allem aus uhrmacherischer Sicht: die Entwicklung der Hemmungen, die Steuerung der Antriebskraft, die Temperaturkompensation, Unruh und Spirale, die kardanische Aufhängung, die Gangprüfungen und die verschiedenen Formen, die das Marinechronometer annahm. Zum Schluss folgt eine technische Betrachtung des Exemplars GUB Nr. 7986, das sich an Bord des Segelschulschiffs Sagres (Navio-Escola Sagres) befindet.
HINWEIS: Das Marinechronometer ist kein Chronograph. Ein Chronograph misst voneinander unabhängige Zeitspannen; ein Marinechronometer ist ein Präzisionszeitmesser, der eine möglichst gleichmäßige Zeitreferenz über Wochen oder Monate bewahren soll — unter dem Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration und Schiffsbewegung. Es ist zugleich Uhr, wissenschaftliches Instrument und Navigationsausrüstung.
1. Gibt es Kategorien von Marinechronometern? Ja — aber keine einheitliche, universelle Klassifikation
Das Wort „Chronometer“ bezeichnet keine bestimmte äußere Form, sondern eine Uhr, die konstruiert und reguliert wurde, um eine hohe Genauigkeit und vor allem einen sehr stabilen Gang zu erreichen. Im maritimen Zusammenhang empfiehlt es sich, mehrere Kategorien zu unterscheiden, die sich historisch überschneiden.
Die erste ist das box chronometer, oder Kastenchronometer: das klassische Instrument in einem Holzkasten, dessen Werk in einem Metallgefäß untergebracht ist — dem bowl —, aufgehängt in Kardanringen. Diese Konfiguration verbinden wir heute am unmittelbarsten mit dem Marinechronometer, und zu dieser Kategorie gehört auch das GUB der NRP Sagres.
An zweiter Stelle stehen die pocket chronometers: hochpräzise Taschenuhren, mitunter mit einer detent-Hemmung und mit chronometrischen Lösungen ausgestattet, die denen der Marineinstrumente ähneln. John Arnold spielte bei der Entwicklung dieser Kategorie eine besonders wichtige Rolle. Nicht alle diese Uhren dienten an Bord als Hauptreferenz, aber sie zeigten, dass sich die Prinzipien der Präzisionschronometrie auf viel kleinere und tragbare Instrumente übertragen ließen.
Eine dritte Kategorie von großer praktischer Bedeutung ist die deck watch, oder Decksuhr. Auf vielen Schiffen blieb das Hauptchronometer geschützt an seinem Aufstellungsort, während eine tragbare Präzisionsuhr, die zuvor mit ihm verglichen oder synchronisiert worden war, für die astronomischen Beobachtungen an Deck gebracht wurde. So vermied man es, das Referenzchronometer unnötig zu bewegen, und verringerte die Gefahr von Stößen, Lageänderungen oder Störungen seines Gangs.
Hersteller wie Ulysse Nardin, Longines, Hamilton und andere fertigten hochwertige deck watches für Marinen und hydrographische Dienste.
Üblich ist auch eine Einteilung der Chronometer nach ihrer Gangdauer — ein Tag, zwei Tage, acht Tage —, auch wenn die Bezeichnung nicht immer genau der gesamten Laufzeit entspricht. Zweitagechronometer wurden sehr verbreitet: Eine Gangreserve von mehr als 48 Stunden erlaubte es, sie täglich zur selben Stunde aufzuziehen und das Gerät so von den Extrembereichen der Kraftkurve der Feder fernzuhalten. Daneben gibt es Sternzeitchronometer, die Sternzeit für astronomische Zwecke bewahren, sowie Observatoriumschronometer, deren Einstufung sich vor allem aus dem Prüfverfahren und der wissenschaftlichen Verwendung ergibt.
Schließlich lassen sich mechanische, elektromechanische und Quarzchronometer unterscheiden. Diese technologische Einteilung wird im 20. Jahrhundert besonders relevant, als viele Marinen eine Zeit lang mechanische Chronometer parallel zu elektronischen Referenzen behielten, bevor der endgültige Übergang zu Quarz, Funk und Satellit erfolgte.
2. Länge: wenn vier Sekunden eine Seemeile bedeuten können
Die Erde dreht sich in 24 Stunden um etwa 360 Grad. Im Mittel entspricht ein Zeitunterschied von einer Stunde daher 15 Längengraden, vier Minuten einem Grad und vier Zeitsekunden einer Bogenminute. Am Äquator entspricht eine Bogenminute der Länge ungefähr einer Seemeile. Das macht die Anforderungen des Problems sofort deutlich: Wenige Sekunden aufgelaufener Fehler konnten zu einer Positionsunsicherheit von mehreren Seemeilen führen.
Die chronometrische Methode beruht auf dem Vergleich der Ortszeit — durch astronomische Beobachtung gewonnen — mit der vom Chronometer bewahrten Referenzzeit. Tritt der Ortsmittag ein, wenn das Chronometer beispielsweise 14 Uhr am Bezugsmeridian anzeigt, entspricht der Unterschied von zwei Stunden etwa 30 Längengraden. Die tatsächliche Berechnung erfordert astronomische und nautische Korrekturen, doch das Prinzip lautet: einen Zeitunterschied in einen Winkel umzuwandeln.
Zu Beginn des 18. Jahrhunderts gab es keine Uhr, die für diese Aufgabe auf hoher See stabil genug gewesen wäre. Eine Pendeluhr konnte an Land sehr genau sein, doch das Pendel reagiert auf Beschleunigung und Neigung des Schiffs. Eine tragbare Uhr mit Unruh hatte mit anderen Problemen zu kämpfen: Reibung, ungleichmäßige Qualität der Federn, Temperaturschwankungen, Amplitudenänderungen, Hemmungsfehler und Gangunterschiede zwischen den Lagen. Die Länge wurde so zu einem Problem der Astronomie, angewandt auf die Präzisionsuhrmacherei.
Marinechronometer GUB Nr. 7986 an Bord des Segelschulschiffs Sagres. Foto des Autors. ©IPR
3. Vor Harrison: Sully, Le Roy, Berthoud und eine europäischere Geschichte, als es scheint
Die populäre Erzählung macht John Harrison gern zu einem einsamen Erfinder, der das Längenproblem im Alleingang löste. Harrison war entscheidend, doch die tatsächliche Chronologie ist viel reicher. Seit dem Ende des 17. und während des gesamten 18. Jahrhunderts erprobten englische, französische und Schweizer Uhrmacher Lösungen, um auf See die Zeit zu bewahren.
Manche entwickelten Maschinen, die scheiterten, andere gelangten zu technisch bemerkenswerten, aber schwer herstellbaren Lösungen, und wieder andere hatten Ideen, die erst später in das klassische Chronometer einflossen.
Dies ist das einzige Bild, auf dem wahrscheinlich Sully dargestellt ist, links. Marine timekeeper by Henry Sully, Paris, 1724
Henry Sully (wahrscheinlich links) und sein Chronometer, das Marine timekeeper by Henry Sully, Paris, 1724
Henry Sully, ein in Frankreich ansässiger Engländer, baute in den ersten Jahrzehnten des 18. Jahrhunderts Marineuhren und veröffentlichte eine wichtige Arbeit zu diesem Thema. Seine Instrumente lösten das Problem nicht endgültig, gehören aber zu der Entwicklungslinie, die Harrison vorausgeht. Die Royal Museums Greenwich selbst zählen Sully zu den ersten Kapiteln in der Entwicklung der Marinechronometrie.
Pierre Le Roy zugeschriebenes Porträt (1717–1785)
Pierre Le Roy zugeschriebenes Porträt, Schema seiner detent-Hemmung und Foto seines Chronometers
In Frankreich war Pierre Le Roy eine grundlegende Gestalt. Die Uhrengeschichtsschreibung schreibt ihm eine der ersten Formulierungen der detent-Hemmung zu und vor allem ein sehr klares Verständnis dafür, dass chronometrische Präzision eine Trennung der Funktionen erforderte: einen möglichst freien Oszillator, einen kurzen, kontrollierten Antrieb und die Kompensation der Temperatureinflüsse. Le Roy ist eines der klassischen Beispiele für einen Namen von enormer technischer Bedeutung, der in der Öffentlichkeit weit weniger bekannt ist als Harrison.
Ferdinand Berthoud
Porträt von Ferdinand Berthoud und Fotos seines Marinechronometers
Ferdinand Berthoud verdient ebenfalls einen Platz in der ersten Reihe. Er legte der französischen Königlichen Akademie der Wissenschaften 1760 den Entwurf einer Marineuhr vor, fertigte mehrere Versuchsinstrumente, verfolgte die europäische Debatte über Harrison aus nächster Nähe und erlebte ab 1768, wie seine Uhren Nr. 6 und Nr. 8 auf einer Reise von gut einem Jahr erprobt wurden. 1770 erhielt er den Titel Horloger-Mécanicien du Roi et de la Marine und einen Auftrag über zwanzig Längenuhren. Berthoud war kein später Nachahmer, sondern ein systematischer Forscher, der über Theorie, Bau, Prüfung und Gebrauch der Marineuhren publizierte.
Die Geschichte der Länge ist also eine internationale Geschichte. Die mechanische Lösung entstand nicht in einem Augenblick; sie bildete sich durch die Ansammlung von Erfahrungen mit Hemmungen, Kompensation, Federn, Unruhen, Werkstoffen, Schmierung und Prüfmethoden. Harrison steht im Mittelpunkt der britischen Erzählung, doch die kontinentale Uhrmacherei entwickelte parallel Lösungen von großer Tiefe.
4. John Harrison: von H1 bis H4 — vier Maschinen, vier Arten, das Problem zu denken
Harrison ging das Problem zunächst als Erbauer großformatiger Uhren an. H1, 1735 vorgestellt, ist eine monumentale, fast architektonische Maschine. Statt eines Pendels verwendet sie zwei große, miteinander verbundene Unruhen, damit die Störungen durch das Schiff beide auf ausgleichende Weise beeinflussen. Das Ganze setzt auf reibungsarme Lösungen und eine geradezu obsessive Sorge um thermische Stabilität und Isochronismus.
H2 verbesserte einige Elemente, doch Harrison erkannte ein grundlegendes Problem im Verhalten des Systems und beschloss, es nicht den vorgesehenen Hochseeprüfungen zu unterziehen.
H3 beschäftigte Harrison rund neunzehn Jahre lang. Technisch ist sie faszinierend, weil sie Ideen enthält, die über die Navigation hinausgehen: bimetallische Kompensationselemente und ein Rollenlagersystem zur Verringerung der Reibung. Dennoch erreichte die Maschine nicht die angestrebte Gleichmäßigkeit. Entscheidend ist, dass das teilweise Scheitern von H3 Harrison in eine andere Richtung lenkte: Statt die Raffinesse einer großen Maschine weiter zu steigern, näherte er sich der Architektur der tragbaren Uhr.
Um 1751–1753 baute John Jefferys eine Uhr nach Harrisons Vorgaben. Das Verhalten dieser Uhr überzeugte Harrison davon, dass eine verhältnismäßig große Unruh, die mit hoher Frequenz und großer Amplitude schwingt, den Störungen durch das Schiff besser widerstehen konnte als die großen Systeme gekoppelter Unruhen. So entstand H4, begonnen 1755 und fertiggestellt 1759.
H4 sieht aus wie eine riesige Taschenuhr, doch die Ähnlichkeit täuscht. Ihre Unruh schwingt mit fünf Halbschwingungen pro Sekunde, für die damaligen Verhältnisse sehr schnell, und mit hoher Energie. Harrison verwendet eine äußerst verfeinerte Spindelhemmung mit Diamantpaletten sowie ein Remontoir- bzw. Konstantkraftsystem, das den Regler von Schwankungen der Kraftübertragung abschirmen soll. Anders als viele Übersichten nahelegen, ist H4 noch nicht das klassische detent-Chronometer, das das 19. Jahrhundert beherrschen sollte; es ist eine sehr persönliche Lösung Harrisons, von enormer Komplexität und schwer nachzubauen.
John Harrison, H4, 1759. Illustration nach einem Foto des National Maritime Museum, Greenwich. John Harrison, H4, 1759. Illustration nach einem Foto des National Maritime Museum, Greenwich. John Harrison, H4, 1759. Illustration nach einem Foto des National Maritime Museum, Greenwich.
John Harrison, H4, 1759. Mit rund 13 cm Durchmesser und einer Unruh mit hoher Frequenz und großer Amplitude stellte Harrisons vierte Längenuhr einen radikalen Bruch mit den großen früheren Mechanismen dar. Illustration nach einem Foto des National Maritime Museum, Greenwich, Inv. ZAA0037 (Hintergrund verändert).
Die Probefahrten von H4 bewiesen, dass der mechanische Weg funktionieren konnte. Das Instrument erfüllte die strengsten im Longitude Act vorgesehenen Grenzwerte, auch wenn die Zuerkennung des vollen Preises politisch und institutionell umstritten war. Harrison wurde schließlich vom Parlament belohnt, doch die eigentliche ungelöste Frage war eine andere:
Wie ließ sich ein nahezu unwiederholbares Meisterwerk in ein Instrument verwandeln, das Dutzende oder Hunderte von Schiffen kaufen, warten und benutzen konnten?
5. Das nächste Problem: Funktionieren genügte nicht, man musste es auch herstellen können
Harrison bewies die Möglichkeit. Larcum Kendall, John Arnold und Thomas Earnshaw halfen, daraus eine reproduzierbare Technologie zu machen. Kendall baute K1 als sehr getreue Kopie von H4. Das Instrument begleitete James Cook auf seiner zweiten Pazifikreise zwischen 1772 und 1775, und Cook vermerkte seine Genauigkeit lobend. K1 war von enormer Bedeutung, weil es zeigte, dass die Lösung Harrisons Werkstatt verlassen und im realen Einsatz funktionieren konnte, auch wenn die Kosten für eine allgemeine Einführung noch zu hoch blieben.
John Arnold verfolgte eine andere Strategie: Vereinfachung. Er entwickelte kostengünstigere Chronometer, arbeitete intensiv an Kompensationsunruhen und zylindrischen Spiralen und vervollkommnete die detent-Hemmung. Seine Nr. 36 von 1778 ist historisch bedeutsam und mit der Etablierung des Begriffs chronometer für eine tragbare Präzisionsuhr verbunden. Arnold erkannte, dass die Zukunft nicht darin lag, H4 Teil für Teil zu kopieren, sondern darin, die Zahl der Bauteile zu verringern, die Regulierung rationeller zu gestalten und die Fertigung einem kommerziellen Maßstab anzunähern.
Ölporträt von John Arnold mit seiner Familie, gemalt von Robert Davy zwischen 1783 und 1787. Marinechronometer John Arnold & Son, London, um 1795. Foto: Daderot / Wikimedia Commons, CC0.
Links: John Arnold mit seiner Familie, begleitet von seinem Sohn John Roger Arnold und seiner Frau Margaret. Gemälde von Robert Davy, um 1783–1787. Clockmakers’ Museum / Science Museum Group. Rechts: Marinechronometer John Arnold & Son, London, um 1795. Foto: Daderot / Wikimedia Commons, CC0.
Thomas Earnshaw trieb diese Vereinfachung noch weiter. Der Prioritätsstreit zwischen Arnold und Earnshaw um die spring detent escapement ist aus der Geschichtsschreibung nie ganz verschwunden, doch die praktische Folge ist eindeutig: Die mit Earnshaw verbundene Bauweise wurde zum vorherrschenden Standard des Marinechronometers im 19. und 20. Jahrhundert. Das Board of Longitude ließ 1804 sogar Modelle der Systeme von Earnshaw und John Roger Arnold anfertigen, um die Frage zu untersuchen. Beide erhielten Belohnungen für ihren Beitrag zum Fortschritt der timekeepers für die Marine.
Thomas Earnshaw (1749–1829). Porträt mit einem Chronometer jenes Typs, den er als Standard der Marinechronometrie durchzusetzen half. Thomas Earnshaw (1749–1829). Porträt mit einem Chronometer jenes Typs, den er als Standard der Marinechronometrie durchzusetzen half.
Thomas Earnshaw (1749–1829). Porträt mit einem Chronometer jenes Typs, den er als Standard der Marinechronometrie durchzusetzen half. National Maritime Museum, Greenwich.
Thomas Mudge, Josiah Emery und andere Konstrukteure entwickelten ebenfalls Chronometer und Hemmungen von großem Interesse. Die tatsächliche Geschichte verläuft weniger geradlinig als eine Abfolge „Harrison → modernes Chronometer“: Mehrere technische Familien standen im Wettbewerb, und die Auswahl des endgültigen Standards ergab sich ebenso aus der Leistung wie aus Kosten, einfacher Regulierung, Wartung und Fertigungskapazität.
6. Die Hemmung: von Harrison zum detent
Die Hemmung ist das Organ, das die kontinuierliche Energie des Räderwerks in eine Folge von Impulsen umwandelt und es zugleich dem Oszillator ermöglicht, den Takt der Uhr zu bestimmen. Bei einem Präzisionschronometer sollte die Hemmung idealerweise so wenig wie möglich in die Unruh eingreifen. Je länger die Unruh frei schwingt, desto weniger hängt ihre Periode vom Zustand der Kraftübertragung, von der Schmierung oder von der Geometrie der Kontaktflächen ab.
H4 bildet eine wichtige historische Ausnahme. Harrison verwendete eine äußerst vervollkommnete Form des verge escapement, das gewöhnlich als archaische Hemmung mit starkem Rückfall gilt. Mit Diamantpaletten, hoher Frequenz, sorgfältig kontrollierten Amplituden und einem ausgeklügelten Konstantkraftsystem gelang es ihm, diesem Prinzip eine außergewöhnliche Leistung abzugewinnen. Das zeigt, dass es in der Uhrmacherei nicht genügt, den „Typ“ der Hemmung zu bestimmen: Die Qualität der gesamten Konstruktion und der Regulierung kann das Ergebnis grundlegend verändern.
Marinechronometer in einem Holzkasten, kardanisch aufgehängt. Rechts: Blick auf das Werk im Inneren des bowl, mit der für diese Instrumente typischen feinmechanischen Architektur.
Durchgesetzt hat sich schließlich das detent escapement. Bei der Ausführung pivoted detent lagert das detent in Zapfen. Bei der Ausführung spring detent ersetzt das elastische Element selbst die Zapfen und verringert die Reibung. Es handelt sich um eine freie Hemmung: Während fast der gesamten Schwingung steht die Unruh nicht mit der Hemmung in Kontakt. Nur bei einem Durchgang entriegelt die Unruh das Hemmungsrad und erhält einen Antrieb; bei der Rückschwingung lässt das System sie ohne neuen Impuls passieren.
Die Vorteile sind enorm: wenig Gleitreibung, ein kurzer, nahezu tangentialer Antrieb, geringer Schmierbedarf an den kritischen Flächen und eine freie Unruh während des größten Teils des Zyklus. Der Nachteil ist die Empfindlichkeit. Das detent escapement ist stoßempfindlich, verlangt sehr enge Toleranzen und läuft in vielen Ausführungen nicht von selbst an. Bei einer Alltags-Taschenuhr wäre das problematisch; bei einem geschützten, kardanisch gelagerten und von Fachleuten gehandhabten Chronometer war dieser Kompromiss sinnvoll.
Chronometer von Thomas Earnshaw, mit der HMS Beagle in Verbindung gebracht. Das Werk besitzt eine Schnecke, Harrisons maintaining power, eine Hemmung vom Typ spring-detent, eine kompensierte Bimetallunruh und eine frei schwingende zylindrische Spirale. Foto: BabelStone / Wikimedia Commons, CC0.
7. Schnecke (Fusée), Kette und maintaining power: Kraft übertragen, ohne den Gang zu verderben
Die Zugfeder liefert nicht dasselbe Drehmoment, wenn sie voll aufgezogen ist, wie gegen Ende der Gangreserve. Bei einer gewöhnlichen Uhr können Hemmung und Regler einen Teil dieser Schwankung verkraften. Bei einem Marinechronometer kann eine Änderung der Unruhamplitude eine Gangänderung und damit einen Längenfehler hervorrufen. Die Schnecke mit Kette ist eine elegante mechanische Lösung, um die Kraftabgabe zu linearisieren.
Die Feder treibt eine Kette — oder bei manchen Chronometern ein flexibles Metallband —, die zwischen dem Federhaus und einem kegelförmigen Bauteil, der sogenannten Schnecke, aufgewickelt ist. Ist die Feder stark, wirkt die Kette auf einen Bereich mit kleinem Radius; wird die Feder schwächer, wechselt sie zu einem Bereich mit längerem Hebelarm. Das Profil der Schnecke ist so berechnet, dass es die Drehmomentkurve der Feder ausgleicht. Ideales Ergebnis ist eine viel gleichmäßigere Kraft auf das Räderwerk.
Dann stellt sich ein weiteres Problem: Wird beim Aufziehen die Kraftübertragung unterbrochen, erhält das Chronometer vorübergehend keine Energie. Harrison entwickelte daher eine Gangerhaltung für die Dauer des Aufzugs, die das Räderwerk zumindest während des Spannens der Zugfeder weiter antreibt. Dieser Mechanismus wurde zu einem klassischen Merkmal vieler hochwertiger Chronometer und zeigt deutlich, wie sehr jeder Vorgang, der den Gang stören konnte, als mögliche Quelle chronometrischer Fehler behandelt wurde.
Die Regelmäßigkeit des Aufzugs war ebenso wichtig. Es war üblich, das Chronometer täglich ungefähr zur selben Stunde aufzuziehen, um es in einem berechenbareren Arbeitsbereich zu halten und unnötige Schwankungen im Spannungszustand der Zugfeder zu vermeiden. Die Gangreserveanzeige — Up/Down oder Auf/Ab — war daher keine dekorative Komplikation, sondern ein funktionales Element zur Überwachung des Instruments.
8. Unruh und Spirale: wo Präzision gewonnen oder verloren wird
Das Regulierorgan ist die eigentliche Uhr in der Uhr. Die Unruh schwingt; die Hemmung wandelt diese Schwingungen in das gleichmäßige Fortschreiten des Räderwerks um. Bei einem klassischen Chronometer strebt man eine große Unruh mit hoher Trägheit an, sorgfältig ausgewuchtet und mit einer Spirale kombiniert, deren Entfaltung so konzentrisch wie möglich ist. Die zylindrische Spirale wurde zu einer häufigen Lösung, weil sie eine symmetrischere Ausdehnung und Zusammenziehung erlaubt als viele flache Spiralen jener Zeit.
Viele Chronometer verwenden eine frei schwingende Unruh (free-sprung), ohne herkömmlichen Rücker zur Veränderung der wirksamen Spirallänge. Reguliert wird über das Trägheitsmoment der Unruh, mithilfe von Massen oder Kompensationsschrauben. Das beseitigt eine Störstelle an der Spirale und macht das System potenziell stabiler. Die Feinregulierung erfordert allerdings enormes Können.
Die Temperatur war lange Zeit der große Feind. Der Elastizitätsmodul des Spiralstahls ändert sich mit der Temperatur; gleichzeitig dehnen sich die Bauteile der Unruh aus. Die geschnittene Bimetallunruh nutzt die unterschiedliche Ausdehnung zweier Metalle: Steigt die Temperatur, biegen sich die Schenkel und verlagern Masse näher an die Achse, wodurch die Neigung der Spirale, die Uhr nachgehen zu lassen, ausgeglichen wird. Über den Reif verteilte Schrauben erlauben es dem Uhrmacher, die Kompensation sorgfältig einzustellen.
Selbst diese Lösung ist nicht vollkommen. Eine Bimetallunruh kann an den Enden eines Temperaturbereichs korrekt kompensiert sein und bei mittleren Temperaturen dennoch einen Fehler aufweisen — den sogenannten middle-temperature error. Im 19. Jahrhundert kamen Hilfskompensationen auf und später Speziallegierungen wie die Guillaume balance sowie Spiralen mit geringer Temperaturempfindlichkeit.
Die Geschichte des Chronometers ist zu einem großen Teil die Geschichte eines fortwährenden Kampfes gegen immer kleinere Fehler.
9. Isochronismus, Amplitude, statisches Gleichgewicht der Unruh und Lagefehler
Ein idealer Regler hätte unabhängig von der Amplitude dieselbe Periode. In Wirklichkeit verändern Amplitudenänderungen den Gang geringfügig. Ziel des Isochronismus ist es, diese Abhängigkeit zu verringern. Die Form der Spirale, die Gestalt der Endkurven, das Verhältnis zwischen Unruh und Spirale, die Gleichmäßigkeit der Kraft und die Hemmung wirken alle am Ergebnis mit. Deshalb lässt sich Chronometrie nicht verstehen, wenn man nur ein einzelnes Bauteil isoliert betrachtet.
Das statische Gleichgewicht der Unruh — und idealerweise auch das dynamische — ist ebenso entscheidend. Fällt der Schwerpunkt nicht mit der Achse zusammen, erzeugt die Schwerkraft lageabhängige Fehler. Beim Kastenchronometer verringert die kardanische Aufhängung die Vielfalt der Lagen des Werks, indem sie es annähernd waagerecht hält, macht ein genaues Auswuchten aber nicht überflüssig. Deck watches und pocket chronometers dagegen werden in mehreren Lagen reguliert, weil sie viel mehr Zeit senkrecht oder geneigt verbringen.
Auch Höhenluft, Zapfengeometrie, Qualität der Lagersteine und Viskosität der Schmiermittel beeinflussen Amplitude und Gang. Das Chronometer ist ein System, in dem Abweichungen von Mikrometern, kleine Verunreinigungen oder gealtertes Öl zu Sekunden pro Tag werden können. Deshalb erfordert die Wartung eines Chronometers Methoden der Präzisionsuhrmacherei und nicht bloß „reinigen und ölen“.
10. Regulierung und Prüfungen: Der Wert liegt im bekannten Gang, nicht darin, heute die exakte Zeit anzuzeigen
Ein wesentlicher Grundsatz der Marinechronometrie wird oft missverstanden: Es ist nicht unerlässlich, dass das Chronometer in jedem Augenblick genau die richtige Zeit anzeigt; unerlässlich ist, seinen Fehler zu kennen und vor allem, dass sein Gang gleichmäßig ist. Geht ein Chronometer äußerst konstant 0,8 Sekunden pro Tag vor, lässt sich diese Abweichung rechnerisch berücksichtigen. Eine Uhr, die heute richtig geht, morgen drei Sekunden nachgeht und übermorgen zwei vorgeht, ist weit weniger nützlich.
Observatorien und hydrographische Dienste entwickelten systematische Prüfungen: Gang bei verschiedenen Temperaturen, Lageänderungen, Amplitudenschwankungen und lange Beobachtungszeiträume. Die Wettbewerbe und Prüfungen des 19. und 20. Jahrhunderts waren keine bloßen Verkaufsvorführungen; sie dienten als Laboratorien, in denen die Stabilität eines Instruments unter genormten Bedingungen bewertet wurde.
Im Prüfblatt eines Chronometers konnte täglich die Abweichung gegenüber dem Normal festgehalten werden. Aus dieser Reihe ergab sich der mittlere Gang, und man beobachtete die Schwankungen. Für die Navigation brachte der Offizier den bekannten Fehler des Instruments an der angezeigten Zeit an.
Diese Kultur des Messens — den Fehler des Messgeräts selbst zu messen — ist eine der wichtigsten Ideen, die wir der Marinechronometrie verdanken.
11. Kardanische Aufhängung und Kasten: Teil des Mechanismus, kein bloßes Möbelstück
Das Metallgefäß, das das Werk enthält, ist in zwei Ringen mit senkrecht zueinander stehenden Achsen gelagert — der kardanischen Aufhängung. Rollt oder stampft das Schiff, hält die Schwerkraft die innere Baugruppe annähernd waagerecht. Das verringert Lagefehler und schützt die geometrische Beziehung zwischen Hemmung und Regler. Deshalb ist die Aufhängung als funktionaler Teil des chronometrischen Instruments zu verstehen.
Auch der Holzkasten erfüllt genaue Aufgaben: Stöße dämpfen, Staub fernhalten, Glas und Aufhängung schützen und einen sicheren Transport ermöglichen. Viele besitzen Deckel auf zwei Ebenen, Sichtfenster, ein Fach für den Schlüssel und Schilder mit Anweisungen. Manche Modelle verfügen über Vorrichtungen, um die Kardanringe beim Transport zu arretieren. Ein Chronometer unarretiert zu transportieren oder es ohne Rücksicht auf die Aufhängung abzustellen, kann Belastungen erzeugen, für die das System nicht ausgelegt ist.
Das Chronometer der Sagres in seinem Kasten. Zu sehen sind die kardanische Aufhängung, der Transportkasten und die Ausführung als Marineinstrument. Foto des Autors.
12. Wie man ein Chronometer an Bord benutzte
Vor dem Auslaufen wurde das Chronometer mit einer bekannten Zeitreferenz verglichen.
An Bord lief es ununterbrochen, und man verstellte die Zeiger normalerweise nicht täglich, um es zu „richten“. Man notierte Fehler und Gang. Wenn die Greenwich-Zeit — oder die Zeit eines anderen Bezugsmeridians — benötigt wurde, brachte man die errechnete Korrektur an der Anzeige des Instruments an.
Die Längenbestimmung mit dem Chronometer erforderte außerdem einen Sextanten, Beobachtungen der Sonne oder der Sterne, nautische Almanache und Rechnung. Das Chronometer „lieferte nicht die Position“; es stellte die unverzichtbare Zeitvariable bereit. Die Qualität des gesamten Vorgangs hing ebenso von der Uhrmacherei ab wie von der Beobachtung und der mathematischen Disziplin des Navigators.
Auf wichtigen Schiffen gab es häufig mehrere Chronometer. Ihr Vergleich ermöglichte es, eine ungewöhnliche Gangänderung an einem Instrument zu erkennen. Redundanz war unerlässlich, denn auf dem Ozean ließ sich ein Ausfall nicht einfach dadurch beheben, dass man das Gerät in die Werkstatt schickte. Die Decksuhr, sofern vorhanden, wurde mit dem Hauptchronometer synchronisiert und diente dazu, die Zeit zum Beobachtungsort zu tragen, ohne das Hauptinstrument zu bewegen.
Ab dem 19. Jahrhundert erleichterten optische Zeitsignale in den Häfen — etwa time balls — und später Telegraf und Funk den Vergleich und die Korrektur. Dennoch blieb das Chronometer als autonome Reserve und als Bindeglied zwischen astronomischer Beobachtung und Normalzeit wichtig.
13. Glashütte: Wenn die deutsche Chronometrie in See sticht
Glashütte wurde im 19. Jahrhundert zu einem Zentrum der Präzisionsuhrmacherei und begann 1886 mit der Herstellung von Marinechronometern. Die deutsche Tradition entwickelte Instrumente für Marinen, Observatorien und Handelsschifffahrt und verband dabei die internationale Architektur des klassischen Chronometers mit eigenen Fertigungs- und Prüfnormen.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die in Ostdeutschland gelegene Glashütter Industrie neu geordnet. 1951 wurden mehrere Betriebe im VEB Glashütter Uhrenbetriebe, GUB, zusammengefasst. Die Fertigung mechanischer Marinechronometer lief jahrzehntelang weiter. Das Deutsche Uhrenmuseum Glashütte dokumentiert beispielsweise das GUB-Chronometer Nr. 8888 als 1965 hergestellt und gibt an, dass das Werk die Produktion mechanischer Chronometer bis 1978 fortführte, parallel zu Quarzchronometern ab 1974.
Die GUB-Chronometer stehen ganz in der Tradition des Kastenchronometers: großes Werk, Chronometerhemmung, kompensierte Unruh, eine für den Chronometerdienst geeignete Spirale, Sekunden- und Gangreserveanzeige sowie kardanische Aufhängung. Die Glashütter Schule legte Wert auf funktionale Finissierung und Präzision; bei diesen Instrumenten tritt die Dekoration hinter Stabilität und Wartungsfreundlichkeit zurück.
14. Das GUB Nr. 7986 des Segelschulschiffs Sagres
Auf den an Bord des Segelschulschiffs Sagres aufgenommenen Fotos ist deutlich ein GUB-Chronometer — Glashütter Uhrenbetriebe — mit der Nummer 7986 auf dem Zifferblatt zu erkennen. Die Anordnung ist klassisch: zentrale Stunden und Minuten, kleine Sekunde bei 6 Uhr, römische Ziffern und Gangreserveanzeige bei 12 Uhr. Die Aufschriften „AUF“ und „AB“ sind die deutsche Anzeige des Aufzugszustands.
Marinechronometer GUB Nr. 7986 der NRP Sagres, kardanisch im Inneren seines Holzkastens gelagert. Zu sehen sind das Hauptzifferblatt, die kleine Sekunde und die Gangreserveanzeige Auf/Ab. Foto: IPR. © IPR
Das Ganze ist in einem metallenen bowl montiert, der kardanisch in einem Holzkasten aufgehängt ist. Die Ablesung von oben und die hohe Lesbarkeit des Zifferblatts sind auf den Instrumentendienst ausgelegt. Im Vergleich mit dokumentierten GUB-Nummern lässt sich das Exemplar mit der Nummer 7986 plausibel in die frühen 1960er-Jahre einordnen. Das deutsche Museum gibt selbst an, die Vertriebsunterlagen der GUB-Chronometer zu besitzen und Archivauskünfte erteilen zu können.
Ebenso wichtig ist es, aus dem Zifferblatt nicht zu viel abzuleiten. Um dieses Exemplar technisch endgültig zu dokumentieren, müsste man das Instrument unter kontrollierten Bedingungen öffnen und das Werk fotografieren: Hemmung, Unruh, Spirale, fusée, Räderwerk, Herstellermarken, interne Nummern und etwaige Reparaturspuren. Bei einem Instrument, das jahrzehntelang im Einsatz war, können Teile ersetzt worden sein, und die Einstellungen müssen nicht genau dem Werkszustand entsprechen.
Der Wert der Nr. 7986 ist ein doppelter. Sie ist ein greifbares Beispiel der Glashütter Chronometrie des 20. Jahrhunderts und zugleich ein Objekt, das zu einem der größten Symbole der portugiesischen Marine gehört. Auf einem Schulschiff hat das Chronometer zudem pädagogischen Wert: Es macht die Beziehung zwischen Uhrmacherei, Astronomie, Navigation und Bordisziplin greifbar.
15. Vom mechanischen Chronometer zu Quarz, Funk und GPS
Das 20. Jahrhundert veränderte schrittweise die operative Rolle des mechanischen Chronometers. Zunächst ermöglichten Funkzeitsignale, die Bordzeit mit externen Normalen zu vergleichen, ohne einen Hafen anzulaufen. Dann boten Quarzoszillatoren eine weit höhere Stabilität bei viel geringerem Wartungsaufwand. GUB ist ein gutes Beispiel für diesen Übergang: Mechanische Chronometer wurden bis 1978 gefertigt, während die Quarzproduktion 1974 begann.
Satellitennavigationssysteme haben das Problem schließlich vollständig verändert. GPS liefert zugleich die Position und eine äußerst genaue Zeitreferenz. Was zwei Jahrhunderte lang Chronometer, Sextant, Almanach und Rechnung erforderte, lässt sich heute elektronisch in Sekunden ermitteln. Das macht das Chronometer historisch jedoch nicht bedeutungslos; es macht umso bemerkenswerter, was die Uhrmacher allein mit Federn, Rädern, Zapfen, Steinen, Kompensationsmetallen und einem mechanischen Oszillator erreichten.
Es gibt auch eine zeitgemäße Lehre in Sachen Redundanz. Die moderne Navigation stützt sich auf außerordentlich leistungsfähige elektronische Systeme, doch die seemännische Ausbildung legt weiterhin Wert auf unabhängige Methoden. Die astronomische Navigation zu beherrschen und das Marinechronometer zu verstehen heißt zu verstehen, wie man eine Kette der Positionsbestimmung aufbaut, die nicht von einer einzigen Technologie abhängt.
16. Warum das Marinechronometer zu den großen Maschinen der Uhrmachergeschichte gehört
Das Marinechronometer zwang die Uhrmacher, abstrakte Begriffe — Isochronismus, Elastizität, Wärmeausdehnung, Reibung, Drehmoment — in handbearbeitetes Metall zu übersetzen. Das Ergebnis war nicht nur eine genauere Uhr. Es war eine Technologie, die Navigation, Kartographie, Handel, wissenschaftliche Erkundung und Seemacht veränderte. Nur wenige Bereiche zeigen so unmittelbar den Übergang der Uhrmacherei von der mechanischen Kunst zur Präzisionswissenschaft.
Harrison bewies, dass es möglich war. Le Roy und Berthoud entwickelten eigene Lösungen und eine strenge Theorie. Kendall zeigte die Tauglichkeit im Einsatz. Arnold vereinfachte und verkleinerte. Earnshaw half, die Architektur zu etablieren, die die Fertigung über mehr als ein Jahrhundert beherrschen sollte. Danach kamen britische, Schweizer, amerikanische, deutsche und andere Hersteller, die das Chronometer zu einer fast industriellen Reife führten, ohne den handwerklichen Anspruch der Feinregulierung aufzugeben.
Das GUB Nr. 7986 des Segelschulschiffs Sagres ist ein spätes Stück dieser langen Tradition. Sein Zifferblatt, die kardanische Aufhängung, die Gangreserve und das Ensemble im Holzkasten sind das sichtbare Ergebnis von mehr als zweihundert Jahren Bemühungen um etwas scheinbar Einfaches: die richtige Zeit über den Ozean zu tragen.
Bibliographie und Referenzquellen
Königliche Museen Greenwich (Royal Museums Greenwich) — Sammlungen und Dokumentation zu den Zeitmessern H1, H2, H3 und H4, zur Geschichte des Längenproblems, zu John Harrison, John Arnold, Thomas Earnshaw, zu Larcum Kendalls K1 und zu den Chronometerregistern des Königlichen Observatoriums Greenwich.
Uhrenmuseum in Glashütte (Deutsches Uhrenmuseum Glashütte) — Sammlung von Marinechronometern und historische Dokumentation über Entwicklung, Fertigung und Vertrieb dieser Instrumente in Glashütte, einschließlich der vom VEB Glashütter Uhrenbetriebe (GUB) hergestellten.
Ferdinand Berthoud — historische Dokumentation zu den Marineuhren Nr. 1, 6 und 8, zu den französischen Marineerprobungen, zu den Veröffentlichungen Ferdinand Berthouds und zu seiner Tätigkeit als Horloger-Mécanicien du Roi et de la Marine.
Jonathan Betts, Marine Chronometers at Greenwich: A Complete History of the Marine Timekeepers at the Royal Observatory from John Harrison to the Present Day.
Jonathan Betts, John Harrison and the Quest for Longitude.
Rupert T. Gould, The Marine Chronometer: Its History and Development.
Hans von Bertele, Marine- und Taschenchronometer.
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