クイズをひとつ。世界で初めて実用化された蒸気機関を心待ちにしていたのは、布を織る工場だろうか、それとも鉱山だろうか。
答えは鉱山、それも石炭を掘る炭鉱である。蒸気機関というと工場の動力源というイメージが強いが、最初の熱心な顧客は「布を織りたい人」ではなく「水を汲み出したい人」だった。この順番を取り違えると、蒸気機関という発明の成り立ちはまるで見えてこない。
深く掘るほど水が出る——炭鉱の逃げられない問題
18世紀初頭のイギリスでは、都市の燃料需要と製鉄業の拡大によって石炭の採掘量が急増していた。問題は地質にある。イギリスの主要な炭田は地下水位が高く、石炭の層(炭層)の上下には水を通しやすい砂岩などの地層が重なっていることが多い。地表近くの石炭を掘り尽くして坑道を深くするほど、周囲の岩盤から地下水がしみ出してくる。掘れば掘るほど水が湧く、という単純だが逃げ場のない物理現象が炭鉱を襲ったのだ。放置すれば坑道はすぐに水没し、せっかく開いた採掘現場が丸ごと使えなくなる。
馬に巻き上げ機を引かせるポンプや水車では、深い坑道からの排水はもはや追いつかない。これは生産性を上げたいという前向きな課題ではなく、掘り続けるためには解決するしかない、逃げ場のない後ろ向きの課題だった。実際、初期の排水ポンプであるトマス・セイバリーの「鉱夫の友」(1698年)は、蒸気の圧力で直接水を吸い上げようとしたが、ボイラーの爆発の危険と揚程(水を持ち上げられる高さ)の限界から実用には至らなかった。
ニューコメンの機関を動かしていたのは「蒸気」ではない
この排水問題に現実的な答えを出したのが、鉄物商トマス・ニューコメンである。1712年に完成させた大気圧機関の仕組みは、高校生にも追える単純な原理でできている。
まずシリンダーの下からボイラーの蒸気を送り込み、内部を蒸気で満たす。次に、シリンダーの外側から冷水を吹きかけて急冷する。すると蒸気は一瞬で水に戻り、体積が一気に小さくなる——気体の蒸気が液体の水に戻ると、体積はおよそ1700分の1にまで縮む。つまりシリンダー内はほぼ真空になるのだ。
ここが肝心な点である。真空になったシリンダーの中を、ピストンが「蒸気の力」で動かしているわけではない。ピストンを押し下げているのは、シリンダーの上に乗っている大気そのものの重さだ。地球の大気は目に見えないが、1平方センチメートルあたり約1キログラムの圧力で常に地表を押している。シリンダーの片側を真空にすれば、反対側から大気圧という巨大な力が押し寄せ、ピストンを力任せに押し下げる。この動きが大きな梁(ビーム)を介して排水ポンプに伝わり、水を汲み上げる。「蒸気機関」という名前がついているが、実際に仕事をしているのは蒸気の圧力ではなく大気の重さであり、だからこそこの方式は歴史的に大気圧機関と呼ばれる。
ただし熱効率で見れば驚くほど悪い。ピストンを1往復させるたびにシリンダーごと冷水で冷やしてしまうため、次のサイクルで蒸気を満たす前に、冷えたシリンダーをもう一度高温に温め直さなければならない。燃やした石炭の熱の大半は、この「温め直し」にそのまま消えていく。
それでも炭鉱では十分に成立した。理由は単純で、炭鉱には燃料の石炭がほぼタダ同然にあるからである。地上まで運んで売る価値のない屑炭や小塊炭を炉に放り込むだけでよく、効率の悪さは、燃料費のかからない現場では致命的な欠点にならない。ここに、このシリーズを貫くテーマが典型的な形で現れている。発明は、事情・環境・他の道具が揃って初めて意味を持つのであり、ニューコメンの機関は「効率が悪くても許される場所」という環境があって初めて実用品になったのだ。以後、同様の機関はイギリス各地の炭鉱に広まり、深い坑道を掘り続けるための標準装備になっていく。
ワットの分離凝縮器——「毎回冷やす無駄」をなくす発想
半世紀後、この非効率に挑んだのがジェームズ・ワットである。修理を頼まれたニューコメン機関の模型を調べるうち、ワットは無駄の正体に気づいた。シリンダーを毎回冷やしては温め直す、そのサイクル自体が燃料を浪費しているのだ、と。
1769年に特許を取った分離凝縮器は、蒸気を冷やす工程をシリンダーの外へ切り離すという発想の転換だった。シリンダーとは別に「凝縮器」という小部屋を用意し、蒸気はパイプを通じてそちらへ送り込んでから冷やす。シリンダー自体は一度も冷やされず、常に高温を保ったままだ。これにより、ピストンを動かすたびにシリンダーを再加熱する無駄がまるごと消える。記録によれば、ワットの機関はニューコメン機関のおよそ4分の1の燃料で同じ仕事をこなしたという。工学史では機関の燃費を「デューティ(石炭1単位あたりの仕事量)」で比較するが、初期のワット機関はニューコメン機関の数倍のデューティを叩き出した。わずか小部屋ひとつ分けただけの改良が、燃費を数倍に押し上げたのである。
ただしワット一人では事業化できなかった。優れた図面や理論があっても、量産できる工作精度と、開発費を回収できるだけの資金がなければ製品にはならない。実業家マシュー・ボールトンがバーミンガムの工場と資本、そして販路を提供し、さらに議会による特許期間の延長がこの発明の模倣を防ぎ、開発費の回収を可能にした。技術の改良と、資本・特許制度という「他の道具」が揃って、蒸気機関はようやく商品になったのである。その後ワットらが開発した歯車機構により往復運動が回転運動へと変換され、蒸気機関は排水ポンプの枠を超えてあらゆる工場の動力源になっていく。これは水車の立地に縛られていた前回までの世界(#12)からの解放でもあった。工場は川辺を離れてマンチェスターのような都市に集まり、鉄道と蒸気船が距離という制約を縮めていった。
なぜイギリスだったのか——地質・燃料・賃金・制度が重なった場所
蒸気機関がイギリスで生まれた理由を一言でまとめれば、「地下から水と石炭という二つのものが同時に湧いてくる土地」だったから、ということになる。
第一に地質である。イギリスの炭田は地下水位の高い地層に恵まれ(あるいは呪われ)ていた。これは前述の通り排水需要を生んだが、同時に炭鉱周辺には燃料としての石炭が大量に、しかも運搬コストなしで転がっていた。「排水が必要な現場に、燃料もタダで存在する」という組み合わせは世界的に見ても珍しい。
第二に賃金水準である。経済史家ロバート・アレンが唱えた「高賃金経済」説によれば、18世紀のイギリスは大陸ヨーロッパ諸国に比べて実質賃金が高く、燃料としての石炭は逆に安かった。人を雇うコストが高く、燃料を焚くコストが安いのなら、人手を機械に置き換える投資は割に合う。逆に大陸の多くの国では、人件費が安く燃料が高かったため、高価な機械に投資してまで人手を省く動機が弱かった。安い燃料と高い賃金という一見矛盾した条件の組み合わせこそが、蒸気機関のような資本集約的な発明を経済的に成立させる環境だったのである。
第三に、この土台には前史がある。実はイギリスで石炭が広く使われるようになったのは、蒸気機関よりずっと前の16世紀後半のことだ。首都ロンドンは人口増加とともに薪や木炭の値段が高騰し、16世紀半ばから17世紀初頭にかけて燃料価格はおよそ10倍近くに跳ね上がったと伝えられる。森林資源の乏しいロンドンは、代わりの燃料として北部ニューカッスル周辺の炭田から海路で運ばれる石炭に頼るようになった。こうしてイギリスは、蒸気機関が発明されるはるか以前から、社会全体が石炭という燃料に慣れ親しんだ「石炭文明」を築いていたことになる。燃料としての石炭に違和感がない社会だったからこそ、炭鉱で生まれた蒸気機関という発明もすんなりと受け入れられたのだ。
第四に制度と人のネットワークである。特許制度は発明者の権利を一定期間守り、模倣による利益の横取りを防いだ。さらにバーミンガムには「ルナー・ソサエティ」と呼ばれる技術者・科学者・実業家の非公式な集まりがあり、ワットやボールトンをはじめとする人々が定期的に集まって最新の科学知識や事業のアイデアを交換していたと伝えられる。地質・燃料・賃金・制度・人脈という複数の条件が同じ島国、同じ時代に重なったからこそ、蒸気機関は発明されただけでなく社会を変える力にまで育ったのである。
次回は、その蒸気機関と工場が生み出した富をどう運ぶかという話——「運河と鉄道」。「運べる重さ」が経済を決める輸送インフラの発明史を追います。
出典・参考文献
- L. T. C. Rolt & J. S. Allen, *The Steam Engine of Thomas Newcomen*, Moorland, 1977
- T. S. アシュトン『産業革命』岩波文庫, 1973
- William Rosen, *The Most Powerful Idea in the World*, Random House, 2010
- Robert C. Allen, *The British Industrial Revolution in Global Perspective*, Cambridge University Press, 2009
- John U. Nef, *The Rise of the British Coal Industry*, Routledge, 1932