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Frank Julian Sprague

Vater des modernen Eisenbahnverhehrs

Frank Julian Sprague hat grundlegende Erfindungen gemacht, ohne die der Tram-, Metro- und Bahnverkehr nicht seine heutige Bedeutung hätte erlangen können.

Spragues Name taucht unzählige Male in Fachzeitschriften als Erfinder einer Neuerung im Bereich der elektrischen Zugförderung, aber auch auf andern Gebieten der Elektrotechnik auf. Er begann seine Karriere mit einem Mechanikstudium, das er sehr jung und mit Bravour als Ingenieur abschloss. Während der folgenden zwei Jahre war er auf dem Kriegsschiff «Richmond» angestellt. In dieser Zeit konnte er 57 (!) Erfindungen, alle auf dem Gebiet der Elektrotechnik, zum Patent anmelden. Auf dem Schulschiff «Minerva» entwarf er hernach eine Beleuchtungsanlage mit Glühbirnen, die durch eine Dampfturbine und einen Edison-Generator gespeist wurde. Da letzterer sehr unzuverlässig war, unternahm es Sprague, ihn zu verbessern, was ihn in Kontakt mit Moses G. Farmer brachte, der auf dem gleichen Gebiet tätig war. Aus dieser Bekanntschaft ergaben sich für Sprague wesentliche Anstösse zur Verbesserung der Dynamos.

Im Jahre 1882 erreichte Sprague, dass er als Vertreter der US Navy an eine Ausstellung im Crystal Palace in London abgeordnet wurde, an der Erfindungen gezeigt wurden. Der Jury oblag es, Preise für den besten Gasmotor, den besten Dynamo und die beste Glühbirne zuzusprechen. Sprague verlängerte absichtlich seinen Aufenthalt, um eine detaillierte Beschreibung aller Neuheiten auf dem Gebiet der Elektrotechnik anzufertigen. Fortan wandte er sein Interesse immer mehr der Elektrotechnik zu und beschloss, sich mit Thomas A. Edison zusammenzutun. Sprague war trotz seines jugendlichen Alters bereits hoch geschätzt in der Fachwelt, und man hätte meinen können, dass das Zusammenwirken zweier so grosser Geister aussergewöhnliche Resultate zeitigen würde. Ihre Zusammenarbeit war indessen bloss von kurzer Dauer, weil Sprague sich vor allem für die Anwendung der Elektrizität im Bahnbetrieb, Edison aber hauptsächlich für die Erzeugung und die Verteilung des elektrischen Stromes interessierte.

Sprague gründete deshalb 1884 die «Sprague Electric Railway and Motor Company». Als erstes entwarf er ein Projekt für die Elektrifizierung von «Elevated Railways» (Hochbahnen), und liess einen neuartigen Antrieb patentieren, von dem noch die Rede sein wird. Es gelang ihm 1886, die Besitzer der «Manhattan Elevated Railway» in New York für einen Versuch zu gewinnen. Man stellte ihm einen Wagen für den Umbau zur Verfügung; die Stromabnahme erfolgte über eine Mittelschiene. Allerdings verlief die Versuchsfahrt nicht wunschgemäss. War es die Erregung? War es die Ungeduld? Jedenfalls schaltete Sprague zu rasch auf, die Motoren brannten durch, und das Feuer griff auf den Kasten über. Die Besitzerfamilie ergriff erschreckt die Flucht und wollte von weiteren, bereits vereinbarten Versuchen nichts mehr wissen.

Untergestell der Tramwagen von Richmond. Gut zu erkennen, der Tatzlagerantrieb.

Strassenbahnen

Nach diesem Misserfolg beschäftigte sich Sprague mit Strassenbahnen. Zuerst verwendete er batteriegespeiste Motoren, sah aber bald ein, dass der Betrieb mit einer Fahrleitung weit vorteilhafter war.

Die Leser werden wissen, dass Sprague nicht der Erfinder des elektrischen Trams ist. Schon 1854 gelang es Thomas Davenport, mit einem kleinen, batteriegespeisten Fahrzeug drei Wägelchen im Kreis herumzuziehen. Bekannt ist auch die von Siemens-Halske gebaute, erste elektrische Strassenbahn in Lichterfelde (1881). Ende 1887 gab es aber auf der ganzen Welt erst 19 Betriebe mit weniger als hundert elektrischen Tramwagen, und keines dieser Fahrzeuge befriedigte vollständig.

In diesem Jahr gelang es Sprague, mit den Städten St. Joseph (Montana) und Richmond (Virginia) Verträge zwecks Elektrifizierung ihrer Pferdebahnbetriebe abzuschliessen. In St. Joseph war bloss eine einzige Linie vorhanden, während in Richmond ein ganzes Netz zu erstellen war. Der Vertrag mit der Stadt Richmond enthielt Klauseln, die, um Sprague selber zu zitieren, «ein vorsichtiger Geschäftsmann nie unterschreiben sollte». Er tat es aber gleichwohl, denn seine noch junge Unternehmung brauchte dringend einen durchschlagenden Erfolg.

Vorgesehen war die Erstellung einer Stromerzeugungsanlage von 290 kW Leistung, der Bau von 21 km Fahrleitung über zum Teil noch nicht gelegten Gleisen und die Lieferung der kompletten Ausrüstung für vierzig zweimotorige Tramwagen. Dreissig Fahrzeuge mussten gleichzeitig zirkulieren und Steigungen von 80 ‰ überwinden können. Und dies in einer Bauzeit von bloss neunzig Tagen! Für den Fall, dass Sprague die Anlage nicht fristgerecht erstellen sollte, war eine Konventionalstrafe vereinbart. Wahrlich drakonische Bestimmungen!

Auch dieses Mal stand das Vorhaben unter einem schlechten Stern: Sprague erkrankte an Typhus und musste die Arbeit seinen zwar gutwilligen, aber unerfahrenen Mitarbeitern überlassen. Als er wieder gesund war, fand er schlecht verlegte Gleise mit Kurvenradien unter zehn Metern und Steigungen über hundert Promille vor. Die Pferdebahnkonkurrenz lachte sich ins Fäustchen und wähnte sich sicher.

Sprague sah für die Stromversorgung der Fahrzeuge den Rollenstromabnehmer vor. Die Konstruktion der Fahrleitung über den Weichen war eine besonders dornenvolle Sache: es bedurfte nicht weniger als 41 Zeichnungen für eine entgleisungssichere Rolle!

Am 7. Januar 1888, das heisst mit etlicher Verspätung, konnte Sprague den Betrieb mit neun Wagen aufnehmen. Allerdings war das Problem der Bürstenfeuer noch nicht gelöst. Nach Versuchen mit Kupfer, Messing und Bronze brachten schliesslich Bürsten aus Graphit die Lösung. Im Monat Mai 1888 liefen schon alle vierzig Fahrzeuge im regulären Dienst.

Der Erfolg war enorm. Es fand sich auch eine Delegation der «West End Street Railway Company» aus Boston ein. Diese Gesellschaft besass gut 8000 Pferde und war einem «Traktionswechsel» nicht abgeneigt. Zwei Möglichkeiten standen zur Diskussion: der elektrische Betrieb oder ein Cable-Car-Netz. Unter den Vertretern der Bostoner Pferdebahngesellschaft fanden sich auch überzeugte Anhänger des Cable-Car, die glaubten, es sei unmöglich, dass sich gleichzeitig mehrere elektrische Tramwagen in Bewegung setzen könnten. Sprague demonstrierte das Gegenteil: er liess 22 Motorwagen auf einem ebenen Gleisstück aufstellen und die Spannung um 50 auf 500 Volt erhöhen. Dann legten die Wagenführer auf ein Kommando hin die erste Stufe ein. Die Spannung fiel auf 200 Volt, die Beleuchtung flackerte, aber alle Wagen fuhren an! Auch diese Demonstration wirkte überzeugend, und zwei Jahre später gab es in den USA, Italien und Deutschland bereits zweihundert Netze im Betrieb oder im Bau. Davon wurden 113 direkt von Sprague geliefert und die restlichen in Lizenz erstellt. Lediglich 20 Betriebe deckten sich bei andern Produzenten ein.

Der Erfolg Spragues ist insbesondere der innovativen Bauart zuzuschreiben. Seine Tramwagen hatten einen Metallrahmen und den von ihm entwickelten Tatzlagerantrieb. Bei diesem stützt sich bekanntlich der Motor auf die Triebachse ab; andererseits ist er federnd mit dem Rahmen verbunden. Die Antriebskraft wurde von einem Ritzel auf der Motorwelle auf ein fest mit der Triebachse verbundenes Zahnrad übertragen. Und gerade dies war die entscheidende Neuerung, wurden doch bis anhin entweder Stangen, Treibriemen oder Ketten verwendet, wobei die Motoren fest am Kasten befestiqt waren.

Lifte und Untergrundbahnen

Im Jahr 1889 wurde Spragues Unternehmung von der «General Electric» Übernommen. Sprague trat seine Lizenzen ab und gründete 1892 die «Sprague Electric Elevator Company». Er erhielt sogleich den Zuschlag für die Installierung der Fahrstühle im Post- und Telegraphengebäude der Stadt New York. Bis anhin bewegten Dampf oder Wasser die Aufzüge. Sprague verwendete dazu die Elektrizität und erfand auch eine Steuerung. Über 600 Anlagen entstanden bis zur Fusionierung mit der «Otis Elevator Company».

Die Züge der ersten elektrifizierten Untergrundbahnen setzten sich aus Lokomotiven und Wagen zusammen, waren also gewöhnliche Züge. Der Betrieb war ziemlich schwerfällig: je länger der Zug, umso geringer die Beschleunigung. Wäre jedes Fahrzeug motorisiert, so wäre bei beliebiger Zugslänge die Beschleunigung stets dieselbe. Diese Überlegung und eine aus dem Liftbau abgeleitete Vielfachsteuerung boten Sprague die Gelegenheit, wieder ins Traktionsgeschäft einzusteigen. Vorerst aber galt es wiederum, einen Betreiber zu finden, der bereit war, entsprechende Versuche auf seinem Netz zuzulassen. Die Gelegenheit dazu ergab sich, als 1897 die «Chicago South Side Elevated Railway» ihn als beratenden Ingenieur für die Elektrifikation ihrer Strecken zuzog. Es gelang ihm, einen Vertrag für den Bau von 120 Triebwagen zu erlangen, allerdings mit ähnlich abschreckenden Bedingungen wie im Falle von Richmond: nur zwei Monate Frist für die Ausrüstung von sechs Fahrzeugen, Konventionalstrafe von 100000 Dollar, wenn die Wagen nicht einwandfrei funktionierten...

Ende Juli waren sechs Fahrzeuge ausgerüstet, und die Probefahrten fielen zur Zufriedenheit der Gesellschaft und deren Aktionäre aus. Am Eröffnungstag standen bereits zwanzig Triebwagen zur Verfügung.

Der erste Betriebstag brachte allerdings eine böse Überraschung: siebzehn Wagen fielen wegen Widerstandsdefekten aus; ein Fahrzeug geriet sogar in Brand. Sprague erkannte die Ursache, nämlich die zu geringe Belastbarkeit der Widerstände, sogleich. Nach deren Anpassung liefen die Wagen problemlos. Gleichsam als krönender Abschluss der Versuchsphase konnte Sprague mit zwei seiner Triebwagen (selbstverständlich in Doppeltraktion) einen liegen gebliebenen Dampfzug abschleppen.

Damit waren die Tage der Dampftraktion auf dem Netz der Chit;agoer Hochbahn gezählt. Die 120 Wagen konnten geliefert werden, und nachher war das sehr grosse Netz der Stadt New York an der Reihe. Ein weiteres Mal feierten Sprague und seine Unternehmung einen Triumph. Das Prinzip der Vielfachsteuerung fand ihren Weg nach Europa, insbesondere nach Paris, aber auch in die Poebene.

Bekanntlich werden die charakteristischen, zwischen 1906 und 1933 gebauten Pariser Metrotriebwagen als «materiel Sprague» bezeichnet, auch wenn das nicht ganz richtig ist. Nach Versuchen mit einer Starkstromvielfachsteuerung und einem dadurch verursachten schweren Unfall am 10.August 1903 wurden drei Varianten entwickelt, von denen eine Kombination des Systems von Sprague und desjenigen von Thomson sich schliesslich durchsetzte. Bei dieser Schaltung wurde über einen kleinen Kontroller der Befehl zum Aufschalten erteilt, wobei - ähnlich wie bei der Impulsgebersteuerung der RBe 4/4, Re 6/6 usw. - Stufe um Stufe eingelegt oder aber automatisch (bis zum maximal zulässigen Stromwert) aufgeschaltet werden konnte. Allerdings war es unmöglich, eine Stufe zurückzuschalten: liess man den Kontrollergriff los, wurden die Fahrmotoren sofort vom Netz getrennt. Gebremst wurde mit Druckluft, manchmal aber auch elektrisch, insbesondere auf der Linie 12 (Porte de la Chapelle - Mairie d'lssy). Dort liefen von 1910 bis 1972 Fahrzeuge mit ausgezeichneten Laufeigenschaften (materiel Nord- Sud) und hohem Bremsvermögen, aber etwas schwächeren Motoren; technisch waren sie mit dem «materiel Sprague» aber weitgehend identisch. Die Linie 12 ist äusserst kurven- und steigungsreich. War nun ein Zug verspätet, praktizierten die Wagenführer folgende Methode: sie «zogen» voll bis zum Stationsanfang, schalteten dann den Kontroller auf Null, Druckluft-Vollbremsung, dann legten sie bei etwa 25 km/h die erste Stufe bis fast zum Stillstand nochmals ein, um Flachstellen zu vermeiden. Resultat: eine geradezu unglaublich starke Bremsung (der Übersetzer hat dies viele Male erlebt: es gab in dieser Technik wahre Meister!).

Triebwagen E20 der FS.

Eine weitere frühe, hierzulande weniger bekannte Anwendung des Systems Sprague wurde auf der Vorortslinie Porto Ceresio - Varese - Gallarate - Milano Porta Garibaldi verwirklicht. 1903 - 1904 wurde diese 77 km lange Strecke mit 550 Volt Gleichspannung ab Stromschiene elektrifizlert. Nach zwei Triebwagenserien (E 10 und E 15), die für das Ziehen von Anhängefahrzeugen ausgelegt waren, folgten die von OM (Officine meccaniche) und General Electric nach System Sprague gebauten sechzehn Triebwagen der Serie E 20, die mit ihren 220 kW bei nur 45,2 t Wagengewicht und einer Höchstgeschwindigkeit von 85 km/h den Betrieb auf dieser Pendlerstrecke wesentlich beschleunigten.

Sprague wurde in der Folge häufig als beratender Ingenieur beigezogen, auch für eigentliche Bahnbetriebe, so zum Beispiel für die Stadtstrecken der «New York Central». Auch diese Elektrifikation geschah mittels dritter Schiene. Bei dieser Gelegenheit konnte der unermüdliche Pionier auch gleich seine von unten bestrichene Stromschiene patentieren lassen, die für Mensch und Tier weniger gefährlich und schnee- und eissicherer war.

Eine weitere epochale Entwicklung war die Sicherheitssteuerung (Totmannpedal), jene Einrichtung also, die das einmännige Führen der Züge erlaubte, da sie bei Unwohlsein des Lokomotivführers die Fahrmotoren vom Netz trennt und eine Schnellbremsung einleitet.

Frank Julian Sprague hat sich, wie dieser Aufsatz zeiqt, um das Eisenbahnwesen sehr verdient gemacht. 1905 erhielt er denn auch eine Ehrenmedaille an der internationalen Ausstellung von St. Louis. Zeitlebens hat er immer dem Gleichstrom den Vorzug gegeben, vor allem deswegen, weil die elektrische Ausrüstung auf den Triebfahrzeugen einfach gehalten werden konnte. Seinem Einfluss ist es auch zuzuschreiben, dass die italienischen Staatsbahnen sich für die Gleichstromtraktion entschieden. Allerdings dauerte es ganze 50 Jahre, bis die letzte Drehstromstrecke umelektrifiziert war (1976).

Sprague starb 76jährig. Kurz zuvor hatte er die Pläne für das wohl bekannteste Schienenfahrzeug amerikanischer provenienz überprüft, nämlich den «President Conference Comittee» (PCC) - Einheitsstrassenbahnwagen, der seinen Siegeszug um die ganze Welt antreten sollte.

Alessandro Albé
Übersetzung: Martin Gut

Letzte Änderungen: 10.10.03

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