वाफेच्या इंजिनाचा शोध – भाग १ आणि २

वाफेच्या इंजिनाचा शोध – भाग १

मनुष्य हा एकच प्राणी आपले शारीरिक कष्ट कसे कमी करावेत यासाठी इतिहासपूर्व काळापासून प्रयत्न करीत आला आहे. त्याने अनुभवावरून तरफ आणि चाक यांचे शोध लावले आणि त्यांचा उपयोग करून तो आपली शक्ति वाढवत गेला किंवा कमी शक्ती वापरून जास्त उपयुक्त काम करायला लागला. धारदार हत्यारांच्या उपयोगाने शिकार करणे आणि जमीन खणणे, झाडाच्या फांद्या तोडणे वगैरे कामे सोपी केली आणि अग्नीवर नियंत्रण मिळवल्यानंतर त्याचा अनेक प्रकारे उपयोग करून घ्यायला लागला, नव्या वस्तू तयार करायला लागला. त्याने बैल आणि घोडा यासारख्या काही शक्तीशाली प्राण्यांना काबूत आणून पाळीव बनवले आणि शेती, वाहतूक अशा कामासाठी त्यांना कामाला जुंपले. आपली कामे सुलभ रीतीने आणि चांगल्या प्रकारे करून घेण्यासाठी अनेक प्रकारची यंत्रे तयार केली आणि तो आपल्या हातातल्या किंवा पायातल्या शक्तीने ती चालवायला लागला. नदीचे वाहते पाणी आणि वारा यांच्या शक्तीवर चालवता येणारी यंत्रे तयार केली, पण त्यांना मर्यादा होत्या. हजारो वर्षांपासून अग्नीचा उपयोग ऊष्णता मिळवण्यासाठी होत होता. पण त्या ऊष्णतेचा उपयोग करून त्यावर चालणारी यंत्रे तयार करणे हा माणसाच्या प्रगतीमधला अत्यंत महत्वाचा टप्पा होता. वाफेवर चालणारे इंजिन हे अशा प्रकारचे पहिले यंत्र कुणी आणि कसे तयार केले हे मी या लेखात सांगितले आहे.

पाणी तापवल्यावर त्याचे वाफेत रूपांतर होते आणि पाण्याच्या मानाने त्या वाफेत प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा असते हे सर्वांनाच ठाऊक असते. पूर्वीपासून एवढे सामान्यज्ञान माणसाला असणार आणि त्या ऊर्जेचा उपयोग करून घेण्याचे अनेक प्रयत्नसुद्धा झाले असतील. त्यातल्या सुमारे दोन हजार वर्षांपूर्वी केलेल्या प्रयत्नांविषयीची थोडी तपशीलवार माहिती आज उपलब्ध आहे.

आकृती १

आकृति १

आता इजिप्तमध्ये असलेल्या पण त्या काळातल्या रोमन साम्राज्यातल्या अलेक्झान्ड्रिया या गावी हीरो नावाचा हुषार माणूस रहात होता. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे त्याने एका गोलाकार पात्राला दोन वक्र नळ्या बसवल्या. त्या भांड्यात वाफ तयार केली किंवा नळांवाटे सोडली की ती वाफ जेट इंजिनाप्रमाणे त्या पात्राला ढकलून वक्र नलिकांमधून बाहेर पडत असे आणि त्यामुळे भोवरा फिरवल्याप्रमाणे ते पात्र गोल फिरायचे. त्याला औलिपाइल (Aeolipile) किंवा हीरोचे इंजिन असे म्हणतात. त्याला आताच्या टर्बाईनचा पूर्वज असे म्हणता येईल. वाफेचा उपयोग करून एक प्रकारचे चक्र फिरवण्याचा हा पहिला प्रयत्न होता, पण त्या चाकाला काहीही जोडले गेले नसावे. हे इंजिन त्याने फक्त एक खेळणे किंवा मनोरंजन करण्यासाठी बनवले होते की त्याचा कांही व्यावहारिक उपयोग केला जात असेल याबद्दल काही माहिती नाही. पण पुढील काळातल्या लोकांनीसुद्धा तशी यंत्रे तयार करून आपले काम सोपे करून घेतले नाही आणि हे इंजिन इतिहासात लुप्त होऊन गेले या अर्थी त्याचा उपयोग करून घेता येईल असे त्या काळात कुणालाही वाटले नसावे.

त्यानंतर पुढील सोळा सतरा शतके इतक्या दीर्घ काळात निरनिराळ्या लोकांनी वाफेचा उपयोग करून घ्यायचे प्रयत्न करून पाहिले पण त्यात क्रांतिकारक असा नवा शोध लागला नसावा. सतराव्या शतकात झालेल्या इतर विषयांवरील शास्त्रीय संशोधनामधून बरीच नवी माहिती उपलब्ध झाली. वातावरणामधील हवेला दाब असतो तसेच निर्वात पोकळी असू शकते हे टॉरिसेलीने दाखवून दिले. वायुरूप किंवा द्रवरूप पदार्थावर दिलेला दाब सर्व दिशांना समान पसरतो असा शोध पास्कलने लावला. वायुरूप पदार्थांचे आकारमान आणि दाब हे व्यस्त प्रमाणात असतात असे बॉइलने सांगितले. विविध प्रकारच्या मिश्रधातू निर्माण करून त्यांना हवा तसा आकार देणे शक्य झाले. त्यामुळे या शास्त्रज्ञांना वैज्ञानिक प्रयोग करण्यासाठी लागणारी उपकरणे तयार केली जाऊ लागली. वाफ हा एक वायुरूप पदार्थ असल्यामुळे वाफेवरील संशोधनालाही चालना मिळाली. अशा प्रकारे ज्ञानाची अनेक कवाडे उघडली गेली.

डेनिस पॅपिन हा फ्रेंच शास्त्रज्ञ वाफेच्या गुणधर्मांवर संशोधन करीत होता. त्याने कांही काळ इंग्लिश शास्त्रज्ञ रॉबर्ट बॉइल याच्याबरोबर काम करून वायुरूप पदार्थांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास केला होता. बंद पात्रामध्ये पाणी तापवून त्याला उकळी आणल्यावर पाण्यापासून वाफ तयार होते, पण तिचे आकारमान पाण्याच्या अनेकपट असते. वाफेला हवाबंद भांड्यात कोंडून ठेवल्यामुळे तिचा दाब वाढत जातो. जसजसा दाब वाढत जातो तसतसे त्या पात्रामधील पाण्याचे आणि वाफेचे तापमानही वाढत जाते. त्या जास्त तापमानावर त्यात ठेवलेले पदार्थ लवकर शिजतात. पण तो दाब प्रमाणाबाहेर गेला तर आत कोंडलेली वाफ त्या पात्राला फोडून बाहेर निघते. असा स्फोट होऊ नये यासाठी वाफेचा दाब ठराविक मर्यादेपर्यंत वाढताच आपोआप उघडणारी एक खास सुरक्षा झडप (सेफ्टी व्हॉल्व्ह) पॅपिनने तयार केली. ही सगळी योजना करून पॅपिनने इसवी सन १६७९ मध्ये जगातला सर्वात पहिला प्रेशर कुकर तयार केला. त्याला त्याने प्रेशर डायजेस्टर असे नांव दिले होते.

सतराव्या शतकात युरोपमध्ये कोळशाच्या आणि इतर खनिजांच्या मोठ्या खाणी सुरू झाल्या. त्या खाणींमध्ये पाणी भरत असे आणि कामगारांना जमीनीखाली उतरून खोदकाम करता यावे यासाठी ते पाणी उपसून बाहेर काढून टाकणे आवश्यक होते. कामगारांनी बादल्या भरून किंवा हातपंपाने ते बाहेर काढण्याऐवजी एकाद्या यंत्राच्या सहाय्याने उपसून टाकण्यासाठी प्रयत्न सुरू झाले. सन १६९८ मध्ये थॉमस सॅव्हरी या इंजिनियरने अशा प्रकारचा पहिला वाफेच्या सहाय्याने चालणारा पंप तयार केला. सॅव्हरीने त्याला स्टीम इंजिन असे नांव दिले होते. तो वर दिलेल्या चित्रात दाखवला आहे.

त्याच्या इंजिनात एका चेंबरला एका बाजूने पाण्याची वाफ तयार करणारा बाष्पक (बॉयलर) जोडला होता आणि खालच्या बाजूला जोडलेल्या एका नळाने तो चेंबर खाणीमधील पाण्याला जोडला होता. आधी तो चेंबर वाफेने भरून बॉयलरच्या बाजूची तोटी बंद करायची. त्या चेंबरला थंड केले तर त्यातील वाफेचे पाण्यात रूपांतर होते. पण पाण्याचे आकारमान वाफेच्या मानाने फारच कमी असल्यामुळे त्यात निर्वात पोकळी (व्हॅक्यूम) तयार होते आणि खाणीमधील हवेच्या दाबामुळे तिथे साचलेले खालचे पाणी त्या चेंबरमध्ये वर चढते. त्यानंतर खाणीला जोडलेल्या नळाची झडप बंद केली की ते पाणी चेंबरमध्येच राहते. बॉयलरकडची तोटी उघडून त्या पाण्यावर वाफेचा जोर दिला की ते पाणी तिसऱ्या एका नळामधून बाहेर पडत असे. अर्थातच हा पंप सतत चालत राहणारा नव्हता. चेंबरमध्ये वाफ सोडणे आणि बंद करणे, तोट्या उघडणे आणि बंद करणे वगैरे कामे आलटून पालटून करावी लागत असत. त्यामधून प्रत्येक वेळी थोडे पाणी उपसले जात असे. चित्रामध्ये अशा प्रकारच्या दोन पंपांची जोडी दाखवली आहे. त्यांचा चतुराईने आलटून पालटून उपयोग करून दुप्पट पाणी उपसणे शक्य होते. त्यापूर्वी तयार केले गेलेले हातपंप, रहाटगाडगी, मोट वगैरेंसाठी माणसाच्या किंवा जनावरांच्या शक्तीचा उपयोग केला जात असे, पण त्याऐवजी वाफेच्या शक्तीवर पाणी खेचणारे हे पहिले यंत्र होते. वाफेच्या शक्तीचा अशा प्रकारचा उपयोगच यात पहिल्यांदा केला गेला. त्याच काळात युरोपमधील इतर कांही शास्त्रज्ञ आणि इंजिनियर अशा प्रयत्नात होते, पण सॅव्हरीचा प्रयत्न अधिक यशस्वी झाल्यामुळे हे श्रेय त्याला मिळाले.

सॅव्हरीच्या इंजिनामध्ये बॉयलर आणि चेंबर ही पात्रे, त्यांना जोडणारे नळ आणि झडपा होत्या, पण त्यात गोल फिरणारे चाक किंवा मागेपुढे सरकणारा दट्ट्या यासारखा मुव्हिंग पार्ट म्हणता येईल असा भाग नव्हता. अशा भागांनी युक्त असे वाफेचे इंजिन कसे तयार झाले हे पुढील भागात पाहू.

---

वाफेच्या इंजिनाचा शोध – भाग २

इंजिन म्हंटल्यावर गोल गोल फिरणारे एकादे तरी चाक किंवा अनेक चक्रे आणि त्यांचा खडखडाट या गोष्टी पटकन आपल्या डोळ्यापुढे येतात. पण सॅव्हरीच्या इंजिनामध्ये यातले काहीच नव्हते. त्यातली सर्व उपकरणे आपापल्या जागी स्थिर ठेवलेली होती. वाफेच्या शक्तीचा कशालाही ढकलण्यात किंवा उचलण्यात थेट विनियोग केला जात नव्हता. खाणींमधील पाणी वाफेमुळे नव्हे तर हवेच्या दाबामुळे वर ढकलले जात होते.

त्या काळात युरोपमध्ये तोफा आणि बंदुका तयार होत होत्या. त्यांच्या निर्मितीसाठी धातूंच्या जाड आणि सरळ नळ्याचे उत्पादन होत होते. तोफेच्या आंत विस्फोटके आणि तोफेचा गोळा ठेवून त्याला बत्ती दिली की विस्फोटकाचा स्फोट होऊन त्या धक्क्याने तोफेचा गोळा नळीमधून वेगाने बाहेर फेकला जातो आणि दूरवर शत्रूच्या गोटात जाऊन पडतो. स्फोटामधून निघणाऱ्या या ऊष्णतेचा यांत्रिक कामासाठी उपयोग करून घ्यावा अशी कल्पना डच शास्त्रज्ञ ख्रिश्चन ह्यूगन याच्या मनात आली. त्यासाठी त्याने तोफेच्या रचनेत थोडा बदल केला. एक तोफ उभी करून ठेवली. तिच्या खालच्या बाजूने थोडेसेच स्फोटक आंत घातले आणि त्याच्या वर गोळ्याच्या ऐवजी एक दट्ट्या (पिस्टन) उभा करून ठेवला. स्फोटकामध्ये जाळ करताच त्याचा स्फोट होऊन त्या धक्क्याने तो दट्ट्या वर उचलला गेला. वर येत असलेल्या दट्ट्याला एक दांडा आणि काही तरफा जोडून त्याच्या द्वारे खाणींमधले किंवा विहिरीतले पाणी उपसून वर काढणे शक्य होते. ह्यूगनने हे डिझाइन १६८० मध्ये मांडले होते. पण त्याचे पुढे काय झाले, प्रत्यक्षामध्ये असा संपूर्ण पंप तयार झाला होता का आणि तो कसा चालला, त्यात आणखी कोणकोणत्या तांत्रिक अडचणी आल्या याबद्दलची नेमकी माहिती उपलब्ध नाही. युरोपातल्या इतर कांही शास्त्रज्ञांनीही तसे प्रयत्न करून पाहिले होते, पण तेही पूर्णपणे यशस्वी न झाल्यामुळे असे गनपॉवडर इंजिन लोकप्रिय झाले नाही किंवा त्याचा जास्त पाठपुरावा केला गेला नाही.

ख्रिश्चन ह्यूगन याचा एके काळचा सहकारी फ्रेंच शास्त्रज्ञ डेनिस पॅपिन याला विस्फोटकांपेक्षा वाफेच्या गुणधर्मात जास्त रस होता. त्याने १६९० मध्ये विस्फोटकांऐवजी वाफेच्या दाबाचा उपयोग करून नळीमधील दट्ट्याला उचलण्याचा प्रयोग करून पाहिला. त्याने अशा यंत्राचे डिझाइन करून लहान प्रमाणावर प्रयोग करून पाहिले होते. सन १७०५ मध्ये त्याने सॅव्हरीच्या इंजिनात सुधारणा करून एक वाफेचे इंजिन आणि त्या इंजिनावर चालणारी एक प्रायोगिक आगबोटही तयार केली होती. अशा प्रकारचे हे जगातले पहिलेच वाहन होते. पण पॅपिन हा मुख्यतः शास्त्रज्ञ होता, त्याला व्यवसाय करून त्यातून पैसे मिळवण्यापेक्षा प्रयोगशाळेत संशोधन करण्याची अधिक आवड होती. शिवाय आपल्या मायदेशामधून परागंदा झाल्यानंतर त्याला मोठी यंत्रे तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेले भांडवल मिळवणे शक्य झाले नसेल. अशा कारणांमुळे पॅपिनचे हे संशोधन प्रायोगिक अवस्थेतच राहिले. त्याचा मोठ्या प्रमाणावर व्यावसायिक प्रसार झाला नाही.

सन १७१२ मध्ये ब्रिटिश इंजिनियर थॉमस न्यूकॉमेन याने थॉमस सॅव्हरी आणि डेनिस पॅपिन या दोन्ही संशोधकांच्या कल्पनांना एकत्र आणून एक मोठे इंजिन तयार केले आणि ते चालवून खाणींमधले पाणी उपसून दाखवले. चित्रात दाखवल्याप्रमाणे या इंजिनात वाफेच्या पात्राच्या जागी एक सिलिंडर असतो आणि बॉइलरमध्ये तयार झालेली वाफ त्यात सोडतात. ती वाफ थंड होऊन तिचे पाण्यात रूपांतर होतांना तिचे आकारमान अगदी कमी झाल्यामुळे सिलिंडरमध्ये निर्वात पोकळी (व्हॅक्यूम) तयार होते आणि बाहेरील हवेच्या दाबामुळे पिस्टन खाली ढकलला जातो. या पिस्टनला साखळीद्वारे एका मोठ्या तुळईला (बीम) टांगून ठेवलेले असते आणि त्या तुळईच्या दुसऱ्या बाजूला एक पंप जोडलेला असतो. इंजिनातला पिस्टन खाली जात असतांना खाणीमधील पाणी या पंपामधून वर उचलले जाते. त्यानंतर सिलिंडर आणि बॉइलर यांच्यामधली झडप उघडते, पंपाच्या वजनामुळे पिस्टन वरच्या बाजूला ओढला जातो, आणि बॉइलरमध्ये तयार झालेली वाफ सिलिंडरमध्ये भरते. पण त्या वाफेला थंड होऊन तिचे पाणी होण्यासाठी कांही वेळ थांबावे लागते. या इंजिनांमध्येसुद्धा प्रत्यक्ष होत असलेल्या क्रियेसाठी हवेच्या दाबाचाच उपयोग केला जात होता. न्यूकॉमने त्याचे नांवच अॅट्मॉस्फीरिक इंजिन असे ठेवले होते. हे इंजिन खाणींमधील पाणी उपसण्यात बऱ्याच प्रमाणात यशस्वी झाले आणि पुढील सहा सात दशकांमध्ये अशा प्रकारची शेकडो इंजिने तयार करून उपयोगात आणली गेली.

न्यूकॉमची ही इंजिने कार्यक्षम नव्हती. पाण्याची वाफ करण्यासाठी बराच कोळसा जाळावा लागत असे. कोळशाच्याच खाणींमध्ये तो मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असायचा, पण इतर खाणींमध्ये मात्र तो मुद्दाम आणावा लागत असे आणि त्यासाठी खर्च पडत असे. यावर काही तरी उपाय करण्याची गरज होती. थॉमस न्यूकॉमेनच्या मृत्यूनंतर सन १७३६ मध्ये जन्माला आलेल्या जेम्स वॉट या स्कॉटिश इंजिनियरने ते काम यशस्वीरीत्या केले.

जेम्स वॉट लहानपणापासूनच अत्यंत बुद्धीमान तसेच काम करण्यात कुशल होता, पण त्याला त्या काळातल्या शाळांमध्ये शिकवले जाणारे ग्रीक, लॅटिन असले जुनेपुराणे विषय शिकण्यत रस नव्हता. त्याने विविध साधने (इंस्ट्रुमेन्ट्स) दुरुस्त करायचे प्रात्यक्षिक शिक्षण घेतले आणि त्यात प्राविण्य मिळवले. ग्लासगोमधल्या लोकांना लागणारी अनेक प्रकारची साधने दुरुस्त करता करता तो स्वतः तशी नवीन साधने तयार करून द्यायला लागला. एकदा त्याच्याकडे न्यूकॉमचे इंजिन दुरुस्त करायचे काम आले. त्या इंजिनाची चांचणी घेत असतांना त्यात कांही सुधारणा करणे आवश्यक आहे असे त्याच्या लक्षात आले. त्या इंजिनाचा सिलिंडर प्रत्येक वेळी वाफ भरतांना गरम होतो आणि वाफेचे पाणी करतांना तो थंड करावा लागतो. यात बरीचशी ऊष्णता वाया जात होती. जेम्स वॉटने वाफेला थंड करण्यासाठी एक वेगळा संघनक (कंडेन्सर) जोडला आणि ऊष्णतेची बचत केली. त्यानंतर तो त्या इंजिनात एकामागून एक सुधारणा करत गेला. प्रत्येक वेळी झडपा उघडण्याचे आणि बंद करण्याचे काम आधी कामगारांनी हाताने करावे लागत असायचे. वॉटने त्यासाठी इंजिनालाच खास दांडे बसवले आणि ते पिस्टनला जोडले. यामुळे पिस्टन वर किंवा खाली होत असतांना त्या झडपा आपोआप उघडून वाफेला सिलिंडरमध्ये सोडायला आणि थांबवायला लागल्या. आणखी कांही दिवसांनी वॉटने तो पिस्टन विशिष्ट प्रकारच्या दांड्याने एका मोठ्या चाकाला जोडला. हा एक क्रांतिकारक बदल होता. आधी असलेले मूळचे इंजिन फक्त खाणींमधील पाणी उपसण्याच्या कामाचे होते, पण चाकाला जोडून कोणतेही यंत्र फिरवणे शक्य झाल्यामुळे ते कारखान्यात कामाला यायला लागले. ते काम सुरळितपणे करता येण्यासाठी त्याच्या वेगावर नियंत्रण असणे आवश्यक होते. वॉटने त्यासाठी नियंत्रक (गव्हर्नर) तयार करून त्या चाकाला जोडला. सिलंडरमध्ये पिस्टनच्या दोन्ही बाजूंना वाफ सोडण्याची योजना करून त्याची क्षमता दुप्पट केली. हे सगळे केल्यानंतर वाफेचे इंजिन हे एक आपोआप चालणारे परिपूर्ण इंजिन तयार झाले. अर्थातच त्याला प्रचंड मागण्या यायला लागल्या आणि जेम्स वॉटचे नाव जगभर झाले.

अशा प्रकारे जेम्स वॉटने मूळच्या न्यूकॉमच्या इंजिनाचे रूप पार पालटून टाकले आणि त्यात इतकी स्वतःची भर घालून अनेक नव्या सोयी करून त्याची उपयुक्तता इतकी वाढवली की वॉटनेच वाफेच्या इंजिनाचा शोध लावला असे समजले जाते. पूर्वी फक्त माणसांनी हातापायांनी चालवता येणारी किंवा पशूंच्या बळावर चालवता येणारी यंत्रे होती, कांही ठिकाणी वाहते पाणी किंवा वारा यांच्या जोरावर फिरणाऱ्या चक्क्या होत्या, पण त्या हवामानवर अवलंबून असायच्या. वाफेच्या इंजिनांमुळे त्या सगळ्या यंत्रांना चालवणारे एक हुकुमी साधन मिळाले आणि कारखानदारीला भर आला, तसेच रेल्वेगाड्या, आगबोटी यासारखी वाहतुकीची साधने निर्माण झाली. म्हणूनच युरोपमध्ये झालेल्या औद्योगिक क्रांतीचे फार मोठे श्रेय वॉटलाच दिले जाते.