روزی که دنی پاپن قایقش را به رودخانه فولدا انداخت، فکرش را هم نمی‌کرد که چند ساعت بعد قایقران‌های محلی به سرش بریزند و قایقش را تکه تکه کنند؛ حتی به پیرمرد شصت ساله هم رحم نکنند. به آب بیاندازند و با پوزخندی بگویند: «خیلی خب! حالا شنا کن و به خانه‌ات برگرد دیوانه!». این همه خشونت در حقیقت ریشه در ساخت اولین ماشین بخار تاریخ داشت. دستگاهی دنی یاپن آن را روی قایقش سوار کرده بود و می‌خواست با آن به بریتانیا برود.
البته چیزی که دنی پاپن ساخته بود، از نیروی بخار آب استفاده‌ای نمی‌برد. اما به هرحال با اینکه اختراع پاپن خیلی زود تخریب و در رودخانه غرق شد، نتیجۀ آزمایش‌هایش سنگ زیربنایی برای اختراعات بعدی بود. از نیوکامن تا جیمز وات اسکاتلندی که همۀ ما ساخت ماشین بخار را به او نسبت می‌دهیم و او را پدر انقلاب صنعتی می‌خوانیم.
اگر موافق باشید، داستان ساخت ماشین بخار و به طور کلی استفاده از فشار بخار را از اولین اتفاق‌ها پی بگیریم و ببینیم چه شد که سرانجام ماشین‌های بخار چرخ صنعت را به حرکت انداختند و جیمز وات پدر انقلاب صنعتی نام گرفت.
آیولیپایل، وسیله‌ای برای سرگرمی
چیزی که مرا به داستان ماشین بخار علاقه‌مند کرد، یکی از درس‌های دبیرستان بود. گمانم توی کتاب زبان انگلیسی بود که با داستان زندگی جیمز وات آشنا می‌شدیم. داستان از این قرار بود که یک روز جیمز نوجوان (یا شاید کودک) همین‌طور که از سرما یخ زده بود، رفته بود کنار شومینۀ خانه تا دستانش را گرم کند. اما همین‌طور که به کتری روی آتش نگاه می‌کرد، توجه‌اش به در کتری جلب شد. بخار آب از کنار در خارج می‌شد و مدام آن را تکان می‌داد. و این شکلی شد که جیمز به فکر استفاده از بخار آب برای تکان دادن چیزهای دیگری هم افتاد و سرانجام ماشین بخار را اختراع کرد!
نمی‌دانم این درس را یادتان هست یا نه. اما خیالتان را راحت کنم. مسئله به این سادگی‌ها هم نبود و اصلاً سال‌ها قبل از جیمز مردم متوجه نیروی موجود در بخار آب شده بودند و استفاده‌های متفاوتی هم از آن می‌برند. از جمله ساخت وسایل بازی.
بازی با توپ چرخان
آیولیپایل (aeolipile) با همین تلفظ سختی که دارد، تقریباً نخستین دست‌سازۀ بشر است که با بخار آب کار می‌کرد. سازندۀ آیولیپایل مردی یونانی بود به نام «هرون اسکندرانی»، که در قرن یکم میلاد و حدود هزار و پانصد سال قبل از جیمز وات به دنیا آمده بود.
ماشین بخار هرون یا همان آیولیپایل در واقع یک وسیلۀ سرگرمی برای خود هرون و شاید شاهان آن دوره بود. آیولیپایل از یک دیگ سربسته و یک توپ فلزی توخالی با طراحی عجیب و غریب ساخته می‌شد. زمانی که دیگ روی آتش قرار می‌گرفت، آب داخل آن بخار می‌شد. از طریق دو لولۀ خمیده بالا می‌آمد و از کناره‌ها به داخل توپ فلزی هدایت می‌شد. از طرفی روی توپ هم دو روزنۀ کوچک وجود داشت. بخاری که در داخل توپ گیر می‌افتاد، با فشار زیاد از درون این روزنه‌ها بیرون می‌زد و در نتیجه توپ شروع می‌کرد به چرخیدن. به همین سادگی! به همین بامزگی(اگر بازهم متوجه منظورم نشده‌اید، عکس بالا را خوب نگاه کنید).
سوار بر ماشین زمان، هزار و ششصد سال بعد!
متأسفانه برای پی گرفتن ادامۀ داستانمان مجبوریم سوار بر ماشین زمان شویم و سال‌های زیادی را جلو بیاییم. البته می‌دانیم که دانشمندان زیادی در این سال‌ها متوجه نیروی بخار بودند؛ اما در تمام این سال‌ها کسی توانایی کنترل نیروی بخار را نداشت. از طرفی هم وسایل آتش‌زا و سوخت مناسب همیشه در دسترس نبود.
خلاصۀ کلام مجبوریم هزار و ششصد سالی سوار بر ماشین زمان به جلو بیاییم و برسیم به زمانی که توماس ساوری (Thomas Savery) به ارتش پیوست. و در نهایت اولین ماشین بخار دنیا را، که البته خیلی هم ماشین بخار نبود، اختراع کرد. ماشینی که بعدها با اسم‌های «موتور آتش‌نشانی» و «دوست معدنچی» مشهور و شناخته شد.
ماشین بخار ساوری
1600 سال آن قدری کافی هست که آدم‌ها دل زمین را بشکافند و به سوخت زغال سنگ دست پیدا کنند. در قرن شانزدهم میلادی اروپا به سمت صنعتی شدن پیش می‌رفت. هر شرکتی برای راه اندازی ماشین‌های صنعتی‌اش نیاز به سوخت داشت و مهم‌ترین سوخت آن زمان هم زغال سنگ بود.
حالا گریزی بزنیم به فیلم‌های سیاه و سفید آمریکایی و کارگرانی که شبانه روز در معدن کار می‌کنند و کارشان استخراج زغال سنگ است. فکر می‌کنم یکی دو سکانس این شکلی را به خوبی یادتان آمده باشد. غرض اینکه در آن سال‌ها استخراج زغال سنگ خیلی کار ساده‌ای نبود. منابع زغال سنگ در دل کوه‌ها یا زیر زمین بود و برای همین کارگران مجبور بودند تونل‌هایی حفر کنند که گاه سی تا چهل متر از سطح زمین پایین‌تر می‌رفت. و خب یک وقت‌هایی هم به جای زغال سنگ به آب می‌رسید!
رسیدن به آب بزرگترین مشکل در معادن زغال سنگ بود. که هر شرکت برای رفع این مشکل از راه‌حلی استفاده می‌کرد؛ اما هیچ کدام از این راه‌ها چاره ساز نبود که نبود. به همین خاطر وقتی «توماس ساوری» مدعی شد که راه حل مناسبی برای این مشکل پیدا کرده، خیلی زود نظر شرکت‌ها و سرمایه‌دارها را به خود جلب کرد.
غول جادویی ساوری آب را از حلقه‌های چاه بیرون می‌کشد!
ایده‌ی ساوری استفاده از یک ماشین بخار اولیه، یا بهتر است بگویم یک پمپ آبی عظیم‌الجثه بود. اختراع او یک دیگ بخار غول پیکر بود که به یک سیلندر متصل می‌شد. سر دیگر این سیلندر در حلقۀ چاه قرار می‌گرفت و ارتباطش با دیگ بخار به کمک یک شیر کنترل می‌شد.
زمانی که دیگ آب گرم شروع به جوشیدن می‌کرد، بخار ایجاد شده در درون دیگ جمع می‌شد و فشار داخل دیگ همین‌طور بالا می‌رفت. سپس طبق یک زمان‌بندی مشخص، جریان آب سردی اطراف دیگ را در بر می‌گرفت. و به صورت همزمان شیر رابط، که دیگ را به لولۀ سیلندر وصل می‌کرد، باز می‌شد.
با خنک شدن ناگهانی دیگ، بخار موجود در آن سرد شده، و به مایع تبدیل می‌شد؛ که درنتیجه این عمل داخل خط لوله یک خلأ ناگهانی رخ می‌داد. و خب این خلأ ایجاد شده همان چیزی بود که جریان آب را از ته چاه بالا می‌کشید و از مسیر دیگری به بیرون هدایت می‌کرد. در ماشین بخار ساوری این اتفاق هر دقیقه چهاربار تکرار شده و به این شکل مشکل اصلی معادن زغال سنگ تقریباً برطرف می‌شد.
اما مشکل ماشین بخار ساوری چه بود؟
اگرچه ساوری با اختراعش نور امیدی را برای صنعت‌گران ایجاد کرد؛ اما موتور مکشی که ساوری ساخته بود، یک مشکل اساسی و چند مشکل فرعی داشت.
مشکل اساسی‌اش این بود که در قرن هفدهم هیچ دستگاهی برای اندازه گیری دما و فشار وجود نداشت. به همین خاطر اگر دیگ بخار در معرض گرمای بیش از اندازه قرار می‌گرفت، دما و فشار داخل دیگ بیش از اندازه بالا می‌رفت. در نتیجۀ این اتفاق اول از همه جوش فلزها آب می‌شد و بعد هم انفجار پشت انفجار.
و اما ایرادهای جزئی! نخست اینکه دیگ بخار ساوری ظاهر غول‌آسایی داشت و فضای زیادی را اشغال می‌کرد. از طرفی هرچقدر عمق چاه‌های زغال سنگ بیشتر می‌شد، به فشار بخار بیشتری برای خروج آب نیاز بود و این یعنی بزرگ و بزرگتر شدن این غول بی شاخ و دم.
ایراد دوم مربوط به مصرف سوخت بالای دستگاه بود. طبیعتاً برای گرم کردن دیگ بخار باید از زغال سنگ استفاده می‌شد. اما مشکل اینجا بود که چنین دیگ عظیم‌الجثه‌ای بخشی از منابع معدن را می‌بلعید و راندمان کاری پایینی هم داشت. از طرفی برای سرد کردن دیگ بخار هم نیاز به آب سرد بود. آبی که باید از طریق رودخانه‌ها یا جوی‌ها تأمین می‌شد.
خلاصۀ کلام اگرچه دستگاه ساوری تا حدودی مشکلات معدنچیان را حل کرد. اما به واسطۀ همین مشکلاتی که گفتیم، خیلی هم مورد استقبال قرار نگرفت.
دنی پاپن، پیرمردی که مخترع زودپز بود
اگر یادتان باشد داستانمان را با «دنی پاپن» شروع کردیم. مردی که اولین زودپز تاریخ را ساخته و البته اولین قایقی که قرار بود با ماشین بخار حرکت کند هم ساختۀ اوست. بهتر است داستان زندگی پاپن را از همان ساخت زودپز شروع کنیم. زیرا زودپز پاپن نقش مهمی در داستان ما دارد. او این زودپز را در سال 1679 اختراع کرد و معتقد بود که: «این دیگ بخار قادر است هر گوشتی را بپزد!»
البته حرفش پر بیراه هم نبود. کافی بود گوشت را در داخل این دیگ انداخته و بعد آن را روی آتش بگذارید. همین. آب موجود در دیگ کم کم جوش آمده، شروع به بخار کردن می‌کرد. اما چون درپوش دیگ بسته بود، این بخار در داخل دیگ می‌ماند و دما و فشارش همین‌طور بالا می‌رفت. درست همان اتفاقی که برای ماشین بخار ساوری می‌افتاد. اما با یک تفاوت جزئی.
تفاوت اساسی زودپز پاپن مربوط به دریچۀ اطمینانی بود که او برای خروج بخار اضافی از داخل دیگ از آن استفاده کرده بود. این دریچۀ اطمینان در حقیقت یک درپوش کوچک روی سر زودپز بود که از یک سر آن وزنۀ کوچکی آویزان می‌شد. زمانی که فشار بخار در داخل دیگ بالا می‌رفت، به راحتی درپوش را پس می‌زد تا بخار اضافی از داخل دیگ خارج شود. وقتی هم که فشار نرمال می‌شد، وزنۀ آویزان درپوش را به سر جای خودش برمی‌گرداند.
وقتی پاپن ایراد ساوری را می‌فهمد
پاپن در آخرین سال‌های زندگی یک بار دیگر به سراغ اختراعاتش رفت و آن‌ها را کنار خبر انفجار ماشین ساوری قرار داد. بعد همین طور که خبر را در ذهنش مرور می‌کرد، درخششی در ذهنش شکل گرفت. و خیلی سریع متوجه ایراد ماشین بخار ساوری شد. نتیجه اینکه به فکر ساخت یک موتور بخار جدید و ترکیب آن با ایدۀ زودپز افتاد. و البته چون خانه‌اش کنار رودخانۀ فولدا بود، دیگ بخارش را با آب رودخانه راه‌اندازی کرد.
این‌طوری شد که پاپن دست به ساخت نمونۀ کوچکتری از دیگ بخار ساوری زد. و بعد، در همان آزمایش‌های اول فکر کرد: «خب اگر قرار است آب را پمپ کنم، چرا از این همه آب برای کار دیگری استفاده نکنم؟».
پیرمرد فرانسوی برای اینکه مشکل ماشین بخار ساوری را حل کند، از یک لولۀ خمیده برای خروج بخار آب از دیگ بخار کمک گرفت. و در قدم دوم آبی که موتورش از سمت رودخانه پمپ می‌کرد را به سمت یک چرخ پره‌دار هدایت کرد. اما از این چرخ متحرک و این موتور بخار کجا می‌شد استفاده کرد؟ اینجا درست جایی بود که دنی پاپن به فکر ساخت یک قایق موتوری افتاد. قایقی که بدون نیاز به پارو زدن طول رودخانۀ فولدا را طی کند و شاید پیرمرد را به نان و نوایی برساند.
لابد می‌پرسید چطور دنی پاپن به فکر استفاده از فشار بخار آب نیفتاد و به جای فشار بخار به سراغ آب پمپ شده از رودخانه رفت؟ خب اعتراف می‌کنم که سؤال خوبی است. اما برای دانستن جوابش باید تا هفتۀ بعد و قسمت دوم داستان ماشین بخار صبر کنید.