Wasserkraft
Die frühesten Belege für Wasserräder und Wassermühlen stammen aus dem alten Nahen Osten im 4. Jahrhundert v. Chr., insbesondere im Persischen Reich vor 350 v. Chr., in den Regionen Irak, Iran und Ägypten.
Im Römischen Reich wurden wassergetriebene Mühlen bereits im ersten Jahrhundert v. Chr. von Vitruv beschrieben. Die Mühle von Barbegal hatte sechzehn Wasserräder, die bis zu 28 Tonnen Getreide pro Tag verarbeiteten. Römische Wasserräder wurden auch zum Sägen von Marmor verwendet, wie das Sägewerk von Hierapolis aus dem späten 3. Jh. n. Chr. Diese Sägewerke hatten ein Wasserrad, das zwei Kurbeln und Verbindungsstangen antrieb, um zwei Sägen anzutreiben. Auch in zwei oströmischen Sägewerken aus dem 6. Jahrhundert, die in Ephesus bzw. Gerasa ausgegraben wurden, findet sich dieses Prinzip. Der Kurbel- und Pleuelstangenmechanismus dieser römischen Wassermühlen wandelte die Drehbewegung des Wasserrads in die lineare Bewegung der Sägeblätter um.
In China wurde die Theorie aufgestellt, dass die wasserbetriebenen Hämmer und Blasebälge aus der Han-Dynastie (202 v. Chr. – 220 n. Chr.) von Wasserschaufeln angetrieben wurden, aber spätere Historiker glaubten, dass sie von Wasserrädern angetrieben wurden, da die Wasserschaufeln nicht die nötige Antriebskraft hatten, um die Blasebälge der Hochöfen zu betreiben. Belege für vertikale Wasserräder aus der Han-Zeit finden sich in zwei zeitgenössischen Modellen von Grabbeigaben, auf denen wasserbetriebene Hämmer abgebildet sind. Die frühesten Texte, in denen dieses Gerät beschrieben wird, sind das Jijiupian-Wörterbuch aus dem Jahr 40 v. Chr., der als Fangyan bekannte Text von Yang Xiong aus dem Jahr 15 v. Chr. sowie das von Huan Tan um 20 n. Chr. verfasste Xin Lun. In dieser Zeit wandte der Ingenieur Du Shi (um 31 n. Chr.) die Kraft von Wasserrädern auf Kolbenbälge zum Schmieden von Gusseisen an.
Die Kraft einer Wasserwelle, die aus einem Tank abgelassen wurde, wurde zur Gewinnung von Metallerzen in einer Methode genutzt, die als Hushing bekannt ist. Das Verfahren wurde erstmals ab 75 n. Chr. in den Goldminen von Dolaucothi in Wales eingesetzt, war aber in Spanien in Minen wie Las Médulas entwickelt worden. Auch in Großbritannien wurde das Hushing-Verfahren im Mittelalter und später zur Gewinnung von Blei- und Zinnerzen eingesetzt. Später entwickelte sich daraus der hydraulische Bergbau, der während des kalifornischen Goldrausches eingesetzt wurde.
In der muslimischen Welt während des islamischen Goldenen Zeitalters und der arabischen Agrarrevolution (8.-13. Jahrhundert) nutzten Ingenieure in großem Umfang die Wasserkraft sowie die frühe Nutzung der Gezeitenkraft und große hydraulische Fabrikkomplexe. In der islamischen Welt wurde eine Vielzahl von wasserbetriebenen Industriemühlen eingesetzt, darunter Walkmühlen, Schleifmühlen, Papiermühlen, Schälmaschinen, Sägemühlen, Schiffsmühlen, Stempelmühlen, Stahlmühlen, Zuckermühlen und Gezeitenmühlen. Bis zum 11. Jahrhundert waren diese Industriemühlen in jeder Provinz der islamischen Welt in Betrieb, von Al-Andalus und Nordafrika bis zum Nahen Osten und Zentralasien. Muslimische Ingenieure nutzten auch Wasserturbinen, setzten Getriebe in Wassermühlen und Wasserhebemaschinen ein und leisteten Pionierarbeit bei der Nutzung von Staudämmen als Quelle der Wasserkraft, um Wassermühlen und Wasserhebemaschinen mit zusätzlicher Energie zu versorgen.
Der islamische Maschinenbauingenieur Al-Jazari (1136-1206) beschrieb in seinem Buch „The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices“ (Das Buch des Wissens über geniale mechanische Geräte) Entwürfe für 50 Geräte, von denen viele mit Wasserkraft betrieben wurden, darunter Uhren, ein Gerät zum Ausschank von Wein und fünf Geräte zum Heben von Wasser aus Flüssen oder Tümpeln, von denen allerdings drei von Tieren und eines von Tieren oder Wasser angetrieben werden können. Dazu gehören ein Endlosband mit daran befestigten Krügen, ein von einer Kuh angetriebener Shadoof und ein hin- und hergehender Apparat mit klappbaren Ventilen.
1753 veröffentlichte der französische Ingenieur Bernard Forest de Bélidor die Architecture Hydraulique, in der er hydraulische Maschinen mit vertikaler und horizontaler Achse beschrieb. Die wachsende Nachfrage im Zuge der industriellen Revolution trieb die Entwicklung ebenfalls voran.
Hydraulische Energienetze nutzten Rohre, um unter Druck stehendes Wasser zu transportieren und mechanische Kraft von der Quelle zu den Endverbrauchern zu übertragen. Die Energiequelle war normalerweise ein Wasserdruck, der auch durch eine Pumpe unterstützt werden konnte. Sie waren in den viktorianischen Städten des Vereinigten Königreichs weit verbreitet. Auch in Genf, Schweiz, wurde ein Wasserkraftnetz entwickelt. Der weltberühmte Jet d’Eau war ursprünglich als Überdruckventil für das Netz gedacht.
Zu Beginn der industriellen Revolution in Großbritannien war Wasser die wichtigste Energiequelle für neue Erfindungen wie Richard Arkwrights Wasserrahmen. Obwohl die Wasserkraft in vielen größeren Mühlen und Fabriken der Dampfkraft wich, wurde sie auch im 18. und 19. Jahrhundert noch für viele kleinere Arbeiten genutzt, etwa zum Antrieb der Blasebälge in kleinen Hochöfen (z. B. In den 1830er Jahren, auf dem frühen Höhepunkt des Kanalbaus in den USA, lieferte die Wasserkraft die Energie für den Transport von Lastkähnen, die mit Hilfe von Schrägseilbahnen steile Hügel hinauf- und hinunterfuhren. Die Geschichte von Lowell, Massachusetts, ist ein klassisches Beispiel für die kommerzielle Entwicklung und Industrialisierung, die auf der Verfügbarkeit von Wasserkraft beruhte.
Der technische Fortschritt hatte das offene Wasserrad in eine geschlossene Turbine oder einen Wassermotor verwandelt. 1848 verbesserte James B. Francis, der als leitender Ingenieur der Lowell’s Locks and Canals Company arbeitete, diese Entwürfe und schuf eine Turbine mit einem Wirkungsgrad von 90 %. Er wandte wissenschaftliche Prinzipien und Prüfmethoden auf das Problem der Turbinenkonstruktion an. Seine mathematischen und grafischen Berechnungsmethoden ermöglichten die sichere Konstruktion von Turbinen mit hohem Wirkungsgrad, die genau auf die spezifischen Strömungsbedingungen eines Standorts abgestimmt sind. Die Francis-Reaktionsturbine ist auch heute noch weit verbreitet. In den 1870er Jahren entwickelte Lester Allan Pelton, ausgehend von den Anwendungen im kalifornischen Bergbau, die hocheffiziente Peltonrad-Impulsturbine, die die Wasserkraft der für das bergige kalifornische Hinterland charakteristischen Flüsse mit großer Fallhöhe nutzte.