Uppfinningar

Monitor

Det pansrade fartyget Monitor är otvivelaktigt John Ericssons mest kända och prisade skapelse. Konstruktionen gick på tvärs av all hävdvunnen uppfattning om hur ett örlogsfartyg skulle se ut och väckte mycket blandade känslor hos samtida sjömilitära experter. Monitor fick många spydiga kommentarer och öknamn, men kritiken tystnade efter striden på Hampton Roads.

De grundläggande tankarna hade väckts långt tillbaka i tiden. I sin ungdom hade John lagt märke till timmerflottarna i norrländska älvar, som låg djupt i vattnet och därigenom rörde sig lugnt i starka strömvirvlar och vågor. De stora seglande brittiska örlogsfartygen gjorde inget starkare intryck på honom – han ansåg att deras tid var ute, trämurarna kunde inte längre härska över haven.

Artilleriet hade under snabb utveckling fått förödande eldkraft. Exemplet från Krimkriget, då tungt ryskt sjöartilleri förintade den turkiska flottan, gav bekräftelse. Ett modernt krigsfartyg måste ha ett starkt skydd mot beskjutning och kunna utveckla stor eldkraft.

Huvudprincipen för nykonstruktionen var att övervattenskroppen skulle vara så låg som möjligt och alla vitala delar – maskineri, propeller och roder – liksom besättningen förläggas väl skyddade under vattenlinjen.

Första försöket att lansera sin idé till den nya typen av örlogsfartyg gjorde Ericsson genom att sända ritningar och en modell till franske kejsaren Napoleon III hösten 1854. Erbjudandet att ställa uppfinningen till förfogande avböjdes med all uppskattning av det djärva uppslaget, och modellen fick bida sin tid i förrådet. Först amerikanska inbördeskriget erbjöd rätta tillfället att förverkliga idén.

Monitor var inget stort fartyg. Hon hade en längd av 52 meter, bredd 12 meter och djupgående knappt 2 meter, detta för att kunna navigera i grunda kustvatten och floder. Fribordet var inte högre än 60 cm, vilket gjorde att överbyggnaden erbjöd en mycket begränsad måltavla. Vid minsta sjögång gick vågorna över hela däcket. Skrovet var spetsgattat med svagt välvt däck. Monitor byggdes av järnplåt, medan överbyggnaden kläddes med pansarplåt på en kraftig trästomme. Skyddet var tjockast på sidorna. Tornet som enligt den ursprungliga versionen skulle varit halvsfäriskt fick för att förenkla bygget cylinderform. Det var utfört i 20 cm tjock pansarplåt och vilade på en central, lodrät axel. Denna vreds runt med två hjälpångmaskiner. Bestyckningen utgjordes av två 11 tums slätborrade framladdningskanoner av den svenskättade kommendören J.A. Dahlgrens konstruktion. Efter eldgivningen föll järnblock ned och täckte tornets öppningar, som också snabbt kunde vridas bort från fiendens skottfält.

För styrning och eldledning fanns en liten pansarklädd hytt på fördäck. Akter om tornet stod två skorstenar och två ventilationstrummor. De kunde monteras ned vid strid och öppningarna täckas med luckor. Två starka fläktar i maskinrummet gav både ventilation och forcerat drag. Det överhängande däckspansaret skyddade propeller och roder för artillerield och ramning liksom ankaret, upphängt i en brunn under fördäck.

Monitor hade förvånansvärt goda sjöegenskaper och klarade sig även i hårt väder, förutsatt att tornets anslutning till däcket och övriga öppningar var väl tätade. Bäst lämpade sig typen vid strid på grunt vatten nära kusten och på inre farvatten. På öppet hav var den mindre lyckad. Pansaret var tillräckligt starkt för att motstå elden från artilleriet vid 1800-talets mitt.

Propellern

Idén att använda skruven som drivande maskindel går tillbaka till antiken – Arkimedes skruv användes då för vattenuppfordring. När andra mekaniska drivmedel för fartyg än åror och segel börja­de bli aktuella under 1700-talets senare del tänkte man sig bland annat att kunna använda väderkvarnsvingar under vatten. De första ångbåtarna drevs med skovelhjul, och Samuel Owen, som introducerade ångmaskinen och modern verkstadsteknik i Sverige, fann att hans experimentbåt The Witch of Stockholm 1816 gick fortare med skovelhjul än med den träpropeller han först monterat. Ångmaskinen var för svag och hade för lågt varvtal.

John Ericssons första idé om propellern baserades på sjöfåglarnas simfötter, och modellen fick namnet gåsfotspropeller. Den bestod av en skål med fram- och återgående rörelse i en rör eller tub. När denna propeller fördes bakåt sköt den iväg båten genom vattenmotståndet, men vid återgången öppnades som ventil en passage runt skålens kant för att minimera motståndet. Efter patentansökan hösten 1834 monterades gåsfotspropellern följande sommar i Annatarius som gick på Paddingtonkanalen och nådde en hastighet av cirka 6 knop. Proven ansågs misslyckade, och Ericsson övergick till försök med roterande, snedställda plan. Den 13 juli 1836 tog han ut patent på en ny konstruktion men hade då med några veckor förekommits av Francis Pettit Smith. Båda har tillskrivits äran av den första praktiskt fungerande propellern. Smiths typ hade sammanhängande, spiralformigt skruvplan och drevs via utväxling från ångmaskinen. Ericssons maskin var däremot direktverkande på den cylinderformiga axeln. Hans version hade två propellrar, den ena placerad framför den andra. Från navet utgick tre armar eller ekrar som bar två breda ringar (eller en kort cylinder) av plåt. Mellan ringarna monterades åtta snedställda skivor, i den ena propellern med exakt motsatt vinkel mot den andra. De båda propellrarna roterade i olika riktning kring ett gemensamt centrum men med olika hastighet.

Denna typ av propeller demonstrerades med lyckat resultat på en halvmeterlång modell i en av Londons badbassänger. 1837 användes den på experimentbåten Francis B. Ogden, som nådde nära 9 knop mot strömmen, och året därpå i bogserbåten Robert F. Stockton. Kanalbåten Novelty utrustades med en ångmaskin på 10 hkr och propeller och gick med framgång sträckan London- Liverpool. Det skulle dock dröja innan propellern slutgiltigt accepterades i England.

Ett huvudskäl till att John Ericsson flyttade till Amerika 1839 var att han ville introducera propellern med direktverkande ångmaskin där, och på några år kom den verkligen i allmänt bruk. Svensken Bror Jonzon upprättade 1843 en förteckning över amerikanska fartyg med Ericssons propeller. Listan upptar 42 fartyg, varav mer än hälften byggts det senaste året. Då hade nyheten också nått Sverige, där Motala verkstad samma år byggde ångfartyget Flygfisken med sexbladig propeller.

Utvecklingen av propellerns form gick snabbt. Dubbelpropellern övergavs redan 1838, ytterringen i den korta cylindern samma år. I en variant placerades två propellrar i bredd. 1843 blev propellern sexbladig, några år senare uteslöts även den inre ringen. Med fyra blad hade den fått den form som skulle bli förhärskande.

Genomgående drag för John Ericssons fartyg var att propellern arbetade helt under vatten och fick en skyddad plats mellan akterstäven och rodret, under ett överhäng i skrovet och med en kraftig skena från kölens underkant till överhängets aktre sida. Hans systematiska utvecklingsarbete med propellern var möjligen den långsiktigt mest betydelsefulla av alla John Ericssons märkliga insatser.

Ångloket Novelty

De äldsta järnvägarna hade hästdragna vagnar, huvudsakligen avsedda för godstransport. Genombrottet för järnvägstrafik med ånglok och passagerartrafik kom 1829 genom tävlingen på järnvägen Liverpool-Manchester. Företagsledningen där hade tänkt sig lindrift med stationära ångmaskiner vid sidan av spåret, men den erfarne lokbyggaren George Stephenson lyckades förmå dem att skjuta upp beslutet. I stället skulle en tävling anordnas, där inbjudna konstruktörer fick tillfälle att visa vad deras maskiner förmådde. Tävlingsreglerna stipulerade att loket fick väga högst 6 ton, ha ett ångtryck av högst 3 1 /2 atmosfär och förtära sin egen rök. Det skulle kunna dra tre gånger sin egen vikt med en hastighet av minst 10 miles i timmen. Tävlingssträckan var 70 km, men eftersom den färdiga och farbara spårsträckan vid Rainhill bara var 1 3/4 mile fick den lov att köras 20 gånger fram och tillbaka.

Tävlingen utlystes i slutet av april och tiden gick ut 1 oktober 1829. När John Ericsson genom en god vän i Liverpool fick höra talas om evenemanget återstod bara sju veckor. Trots att han aldrig tidigare byggt ett lok beslöt han ändå att deltaga och konstruerade loket Novelty, som byggdes vid Braithwaites verkstäder i London. Den knappa tiden gjorde att arbetet måste forceras, och i London saknades också järnväg som kunde gjort experiment och provturer möjliga. Dessa svåra förutsättningar skulle visa sig fatala.

Av erfarenheterna från maskineriet till Ross polarfartyg Victory och från ångbrandsprutan visste John att artificiellt drag var nödvändigt för att få upp hettan i pannan, ångtrycket i maskinen och därmed lokets hastighet. I konstruktionen införde han därför en biåsmaskin eller bläster kopplad direkt till ångmaskinen så att lufttillförseln blev störst när maskinen arbetade med största hastigheten. Denna princip genomfördes konsekvent i alla senare lokbyggen.

Ericssons skapelse Novelty var en lätt och elegant maskin; huvudkonkurrenten, Robert Stephenson’s Rocket, vägde fyra gånger så mycket. Cylindrarna på Novelty var placerade vertikalt, men kraftöverföringen till hjulaxeln skedde i horisontell riktning för att inte motverka effekten av lokets stålfjädrar. Novelty fick därigenom jämn gång, medan konkurrenternas maskiner, med vertikal eller diagonal kraftöverföring, skakade kraftigt i sidled.

Vid tävlingen i början av oktober 1829, dit tusentals åskådare sökt sig, överträffades den stipulerade hastigheten med glans. A/oi/e/fy förbluffade publiken genom att tillryggalägga 1 mile på 1 minut och 53 sekunder. Det motsvarade 32 miles (51,5 km) i tim­men, medan Robert Stephensons Rocket nådde en maxfart av 29,5 km i timmen.

Men Novelty hade inte fått chansen att övervinna sina barnsjukdomar, ett rör sprang och det dittills framgångsrika och beundrade loket måste dra sig ur tävlingen. Segern gick därför John Ericsson ur händerna, och priset på 500 pund tillföll Rocket. Trots det fick Ericsson & Braithwaite året därpå en beställning på två lok från samma bolag som arrangerat tävlingen. Konstruktionen hade då modifierats, vilket gjorde att ångtrycket inte blev tillräckligt – de nya loken var ett sorgligt misslyckande.

Novelty är bevarat på Science Museum i Kensington, London, dit man efter systematiskt sökande lyckats återföra de flesta originaldelarna. En kopia tillhör Järnvägsmuseet i Gävle.

Varmluftmaskinen Caloric

Varmluftmaskinen var den idé John Ericsson först försökte omsätta i praktiken, och den skulle följa honom genom en lång se­rie av varianter ända till de sista åren.

Ångan hade slagit igenom som drivkraft vid 1800-talets början, men att utnyttja den var förbundet med flera svårigheter. Man måste ha riklig tillgång på vatten, helst sött. Arbetssättet var ganska omständligt: vattnet skulle förångas i ångpannan, ångan ledas över till ångmaskinen och kraften därifrån med axlar och transmissioner överföras till arbetsmaskinerna. Hanteringen var riskabel, eftersom ångpanneexplosioner inte var ovanliga.

Luft utvidgar sig liksom vattenånga vid upphettning – det fenomenet var känt och prövat redan av Leonardo da Vinci. En fullt färdig varmluftmaskin patenterades 1827 av de skotska bröderna Robert och James Stirling, men den exploaterades aldrig för praktiskt bruk. Oberoende av dem hade John Ericsson 1822-23, under sina år i Jämtland, arbetat efter samma idé. En maskinmodell, eldad med ved eller träkol, fungerade effektivt för att driva en pump och väckte stort lokalt uppseende. Det var i första hand för att ex­ploatera denna uppfinning Ericsson begav sig till England 1826.

Där var bränslet stenkol och den starka hettan brände sönder delarna i den ursprungliga maskintypen, som också skadades av sotet från kolelden. En mera motståndskraftig konstruktion var nödvändig för att varmluftmaskinen skulle fungera mer än i demonstrationssyfte. En ny modell blev färdig 1833 och uppfinnaren presenterade den i en liten skrift med titeln The Caloric Engine. Hans idealistiska tänkesätt framgår av formuleringen att maskinen skulle förse människan med ett energitillskott som skulle befria henne från det tyngre arbetet.

Genom att komplettera varmluftmaskinen med en regenerator (värmeväxlare) av allt mer sofistikerad typ trodde John att han skulle kunna undvika värmeförluster och åstadkomma ett slags evighetsmaskin. Den heta utluften från cylindern avgav sin värme i regeneratorn, som i sin tur fick värma den kalla inluften. Men förluster blev det naturligtvis ändå.

Även 1833 års modell var för ömtålig och brändes sönder vid den höga värmen. Ytterligare en typ lanserades 1838 i England, och efter ankomsten till Amerika byggde Ericsson tio olika försöks- maskiner med allt större dimensioner. Kulmen nåddes 1852 med det väldiga varmluftmaskineriet till hjulångaren John Ericsson. Dess effekt blev bara hälften av beräknade 600 hkr, accelerationsförmåga och fart därmed otillfredsställande. Då maskineriet dessutom var oerhört skrymmande och minskade det värdefulla lastutrymmet fick tanken på varmluftmaskiner för fartygsdrift överges.

I stället blev små maskiner för praktiskt bruk i vardagliga funktioner ett lyckokast. En fungerande typ hade blivit klar 1855, och två år senare var sju stora verkstäder fullt sysselsatta med tillverkning av varmluftmaskiner, kallade caloric eller i denna variant stundom the domestic engine. De flesta hade en effekt av 0,3-1 hkr, men även större modeller upp till cirka 5 hkr förekom. Vanliga arbetsområden var drift av pumpar, till exempel vid järnvägsstationer, och tryckpressar. Cirka 10 000 exemplar tillverkades i USA, och flera av de svenska järnbruken tog upp en begränsad produktion. Den här avbildade maskinen från omkring 1860 med tillverkningsnummer 2 från Åkers Styckebruk drev i nästan 60 år en pump vid varmbadhuset i Strömstad.

På John Ericssons egen bild av den lilla varmluftmaskinen lig­ger eldstaden till vänster. Via ett system av ventiler leddes luften i cylindern mellan den tjocka matar- eller fördelarkolven och arbetskolven i cylinderns mitt till matarkolvens baksida och värm­des. Av den heta luftens kompression drevs matarkolven utåt, pressade ihop luften mellan kolvarna och drev arbetskolven utåt. Därvid överfördes kraft till vevstakar och maskinaxel. Rörelsen utjämnades med ett stort balanshjul. Denna maskintyp saknade regenerator, och värmeförlusterna blev relativt stora. Fördelarna var att maskinen ändå hade god bränsleekonomi, var lätt och ofarlig att sköta.

Den första framgångsvågen för varmluftmaskinen blev relativt kort. Anskaffningspriset var cirka 50 procent högre än för motsvarande ångmaskin och den höga värmen orsakade förslitning och reparationsbehov. Efterfrågan sjönk redan i början av 1860-talet, sedan förbättrade ångmaskiner och något senare även gasmotorer kommit ut på marknaden.

John Ericsson gav dock inte upp projektet utan återkom 1872 med en typ som drevs av solenergi. Modifierad med konventionell härd för fast bränsle blev även denna en stor framgång.

Solmaskinen

Under de sista 25 åren av sitt liv koncentrerade John Ericsson allt mer av sitt arbete på studier av solenergin och på maskiner för att mäta och tillvarata den. Det började så snart han hade avslutat sina åtaganden för den federala regeringen i samband med nordamerikanska inbördeskriget. Redan 1868 presenterade han i en uppsats till festskriften vid Lunds universitets 200-årsjubileum idéer om hur solvärmen skulle kunna användas som kraftkälla.

Utgångspunkten för hans lidelsefulla intresse för solvärme var vetskapen om att jordens egna energireserver, i första hand stenkol, var begränsade och skulle ta slut inom överskådlig tid. John Ericsson ville gagna mänsklighetens intressen genom sin forsk­ning och satsade en stor del av sin förmögenhet på instrument och experimentmaskiner. Enligt egen uppgift hade han fram till 1875 konstruerat över femtio olika instrument och sju solmotorer. Han kände också ett starkt behov att göra sina rön bekanta för den vetenskapliga världen och publicerade på mindre än tre år vid början av 1870-talet 29 artiklar om solforskning i engelska och amerikanska tidskrifter. De återkom i bearbetad form i hans praktfulla volym Contributions to the Centenniat Exhibition 1876.

Ericsson byggde och förfinade instrument för att söka mäta strålningens temperatur vid solens yta (pyrometern) och vid jordens yta (actinometern) samt strålvärmets energiinnehåll (calori- metern). Försöken hade också ett praktiskt syfte: att förvandla solenergin till mekanisk kraft i maskiner med ånga eller varmluft som medium.

Principen för solmaskinen var enkel. Det gällde att med en stor, konkav spegel samla och koncentrera strålvärmet till en punkt, där värmet kunde tillvaratagas och omvandlas till rörelseenergi. Den mest effektiva spegelformen var parabolisk, men i den här återgivna maskinen, byggd 1872, hade spegeln oregelbunden kurvatur. Solvärmet träffade därigenom en större yta på den an­slutna cylinderns övre del. Spegelreflektorns yta varierade i de olika typerna, upp till 100 kvadratfot (drygt 9 m2). För att den skulle bli lätt och inte alltför dyrbar, byggdes spegeln av enkla material, stomme av träribbor förstärkt med järnband och silverfolierat spegelglas. Hela maskinen var vridbar kring ett stativ för att kunna vändas vinkelrätt mot solen.

Till reflektorn anslöt John Ericsson i denna version en varmluftmaskin av förbättrad typ. I den långsmala cylindern arbetade en stor växel- eller matarkolv och en arbetskolv. På vanligt sätt sögs kalluft in vid cylinderns nedre ände, hettades upp i den övre och pressade kolvarna nedåt. Arbetskolvens fram- och återgående rörelse överfördes med ett sinnrikt system av vevstakar och dragstänger till en roterande axel. Växelkolven kunde genom sin stora volym magasinera värme och därigenom fungera som regenera­tor, det vill säga förmedla kraft till arbetskolven en lång stund se­dan den direkta bestrålningen upphört.

Vid kontinuerlig bestrålning gjorde maskinen 400 varv per mi­nut, men effekten var blygsam och gick inte i någon av modellerna upp till mer än 1 hkr. Samtida försök i Frankrike resulterade också i maskiner med obetydlig effekt.

Inga patent togs ut på solmaskiner eller instrument, men den lilla varmluftmaskinen i 1872 års solmaskin visade sig vara ett lyckokast. För att tillfredsställa sina kompanjoner patenterade John denna maskin och överlät patenträtten till Delamater & Co. Vid firmans verkstad tillverkades maskinen under de närmaste åren i många tusen exemplar och användes mest för vatten- pumpning.

John Ericssons intensiva ansträngningar inom solforskningen ledde inte till några konkreta, praktiska resultat. Han var långt före sin tid, och först 100 år senare blev solenergin en kraft att räkna med.

Ångbrandsprutan

Det finns ett logiskt samband mellan många av John Ericssons konstruktioner. Vattenresningen som han med sådan förtjusning åstadkommit med sin experimentella varmluftmaskin i Jämtland återkom i många senare sammanhang. Med ångmaskin eller varmluftmaskin kunde man åstadkomma starkt tryck eller vakuum. Arbetet med gruvpumpen i Cornwall gav upphov till utveckling av både skeppspumpen och brandsprutan. Ett genomgående drag i Ericssons effektiva konstruktioner var att han med artificiellt drag fick fram bränslesnåla ångpannor och starkare ångmaskiner än andra samtida.

I experimentsyfte byggde John 1828 i London tillsammans med sin partner, verkstadsägaren John Braithwaite, sin första brandspruta. De fick året därpå tillfälle att demonstrera ett nytt exemplar vid en våldsam brand i The Argyle Rooms. Trots svår kyla arbetade sprutan utan avbrott i fem timmar.

Ångmaskinen drev en dubbelverkande kolvpump, kopplad till en sfärisk tryckklocka för att trycket skulle jämnas ut. Den arbetade med en effekt av 6 hästkrafter och strålen från ett slangmunstycke med dimensionen 1-1 1/4 tum (2,5-3 cm) kastade nästan 700 liter i minuten till en höjd av 30 meter. Det tog 20 minuter att få upp ångtrycket. Den hästdragna vagnen som bar upp sprutan vägde ca 2500 kg. Den var fjädrad och tog sig härigenom fram på gatorna med mindre oväsen.

Med denna lyckade uppvisning som fick de gamla handdrivna brandsprutorna att verka löjeväckande ineffektiva, borde tillverkarna kunnat räkna med erkännande och beställningar. Envist motstånd från de skråmässigt privilegierade brandmännen och ängsliga invändningar från myndigheterna gjorde dock att framgången uteblev. Sprutan sändes visserligen på uppmärksammade turnéer i Frankrike och Ryssland, men de enda leveranserna gick till dockorna i Liverpool och på kunglig order till Berlin.

Kort efter Ericssons ankomst till USA utfäste The Mechanical Institute of New York en belöning – sin stora guldmedalj! – till konstruktören av den bästa ångbrandsprutan. Med sina tidigare erfarenheter hade John inga svårigheter att ta hem belöningen. Den karakteristiska biåsapparaten för generering av ånga var ett av de avgörande inslagen. Man hade tidigare föreställt sig att ångmaskiner av denna typ genom stark gnistbildning skulle ge upphov till bränder i städernas ännu vanliga, täta träbebyggelse, men Ericsson visade att farhågorna var obefogade.

Den nya ångbrandsprutan var långt mera kraftfull än Londonmodellen. Det tog bara tio minuter att få upp ångan, och med ett 1 ½ tums munstycke kastade den långt över 1000 liter i minuten till mer än 35 meters höjd (i en senare version, 1878 års modell, ökade kapaciteten till nära 1800 liter per minut). Nu blev mottagandet ett annat och från och med 1850-talet kom brandsprutan i produktion och allmän användning.