Wie das Rad vermutlich in den Karpaten entstand

Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten im Jahr 3900 v. Chr. als Kupferbergarbeiter in Südosteuropa. Tag für Tag schleppen Sie Kupfererz durch die glühend heissen Stollen des Bergwerks.

Sie haben sich längst mit der zermürbenden Eintönigkeit des Bergbaualltags abgefunden. Doch eines Nachmittags sehen Sie, wie ein Arbeitskollege etwas Aussergewöhnliches tut.

Mithilfe einer seltsam aussehenden Vorrichtung befördert er bei einem einzigen Gang ganz beiläufig das Dreifache seines eigenen Körpergewichts. Als er zurück in die Mine geht, um die nächste Ladung zu holen, wird Ihnen plötzlich klar: Ihr Beruf wird bald deutlich weniger anstrengend und wesentlich einträglicher sein.

Was Sie nicht ahnen: Sie erleben gerade etwas, das den Lauf der Geschichte verändern wird – nicht nur für Ihre kleine Bergbaugemeinschaft, sondern für die gesamte Menschheit.

Trotz des kaum zu überschätzenden Einflusses des Rades weiss niemand genau, wer es erfand oder wann und wo die Idee erstmals entstand. Das oben geschilderte hypothetische Szenario beruht auf einer Theorie aus dem Jahr 2015: Demnach erfanden Bergleute in den Karpaten, im heutigen Ungarn, das Rad vor fast 6.000 Jahren zunächst als Transportmittel für Kupfererz.

Gestützt wird diese Annahme durch den Fund von mehr als 150 Miniaturwagen, den Archäologen in dieser Region gemacht haben. Die kleinen vierrädrigen Modelle bestanden aus Ton. Ihre Aussenseiten trugen ein eingraviertes Flechtmuster, das an die Korbflechterei erinnerte, welche die damaligen Bergbaugemeinschaften nutzten.

Spätere Radiokarbondatierungen zeigten, dass diese Wagen die bislang ältesten bekannten Darstellungen von Radtransport sind.

Für mich als Luft- und Raumfahrtingenieur, der sich mit der Wissenschaft des technischen Entwurfs beschäftigt, wirft diese Theorie eine besonders interessante Frage auf: Wie konnte eine unbedeutende, wissenschaftlich unerfahrene Bergbaugesellschaft das Rad entdecken, während hoch entwickelte Zivilisationen wie die alten Ägypter dies nicht taten?

Eine umstrittene Annahme

Lange Zeit ging man davon aus, dass sich Räder aus einfachen Holzrollen entwickelten. Bis vor Kurzem konnte jedoch niemand erklären, wie oder warum dieser Wandel erfolgte. Zudem äusserten einige Forschende seit den 1960er-Jahren erhebliche Zweifel an der Theorie vom Übergang von der Rolle zum Rad.

Damit Rollen überhaupt sinnvoll eingesetzt werden können, brauchen sie schliesslich ebenen, festen Untergrund sowie einen Weg ohne Steigungen und enge Kurven. Ausserdem müssen bereits benutzte Rollen, nachdem der Wagen über sie hinweggefahren ist, fortwährend wieder an den Anfang der Strecke gebracht werden, damit die Ladung weitertransportiert werden kann.

Aus all diesen Gründen wurden Rollen in der antiken Welt nur selten verwendet. Nach Auffassung der Skeptiker waren sie zu selten und zu unpraktisch, um den Ausgangspunkt der Radentwicklung gebildet zu haben.

Ein Bergwerk mit seinen begrenzten, künstlich angelegten Gängen hätte jedoch günstige Voraussetzungen für Rollen geboten. Dieser Umstand veranlasste mein Team neben anderen Faktoren dazu, die Rollenhypothese erneut zu untersuchen.

Ein entscheidender Wendepunkt

Der Übergang von Rollen zu Rädern setzt zwei zentrale Neuerungen voraus. Zunächst muss der Wagen, der die Ladung trägt, verändert werden. Seine Unterseite braucht halbrunde Aufnahmen, welche die Rollen an ihrem Platz halten. Zieht die Bedienperson den Wagen, werden die Rollen auf diese Weise mitgezogen.

Diese Neuerung könnte durch die Enge der Bergwerksumgebung angeregt worden sein: Dort wäre es besonders mühsam gewesen, gebrauchte Rollen regelmässig wieder vor den Wagen zu tragen.

Die Entdeckung von Rollen mit Aufnahmen stellte einen Wendepunkt in der Entwicklung des Rades dar und bereitete den Weg für die zweite, wichtigste Innovation.

Bei diesem nächsten Schritt wurden die Rollen selbst verändert. Um nachzuvollziehen, wie und weshalb dies geschah, griffen wir auf Physik und rechnergestützte Ingenieurmethoden zurück.

Die Evolution des Rades simulieren

Für unsere Untersuchung entwickelten wir zunächst ein Computerprogramm, das den Entwicklungsweg von einer Rolle zum Rad simulieren sollte. Unsere Hypothese lautete, dass diese Veränderung durch ein Phänomen namens „mechanischer Vorteil“ angetrieben wurde.

Dasselbe Prinzip ermöglicht es einer Zange, die Greifkraft ihrer Nutzer durch zusätzliche Hebelwirkung zu verstärken. Würde sich die Form einer Rolle so verändern lassen, dass sie einen mechanischen Vorteil erzeugt, könnte dies ebenso die Schubkraft der Person erhöhen und das Bewegen des Wagens erleichtern.

Unser Algorithmus modellierte Hunderte mögliche Rollenformen und bewertete deren Leistung sowohl hinsichtlich des mechanischen Vorteils als auch der strukturellen Festigkeit.

Letztere diente dazu festzustellen, ob eine bestimmte Rolle unter dem Gewicht der Ladung brechen würde. Wie vorhergesagt, näherte sich der Algorithmus schliesslich der vertrauten Form von Rad und Achse an, die er als optimal einstufte.

Während der Ausführung des Algorithmus schnitt jedes neue Design geringfügig besser ab als sein Vorgänger. Wir gehen davon aus, dass sich bei den Bergleuten vor 6.000 Jahren ein vergleichbarer Evolutionsprozess abspielte.

Unklar bleibt, was die Bergleute ursprünglich dazu brachte, andere Rollenformen auszuprobieren. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Reibung an der Kontaktfläche zwischen Rolle und Aufnahme das umgebende Holz abnutzte und die Rolle an dieser Stelle leicht schmaler werden liess.

Nach einer weiteren Theorie begannen die Bergleute, die Rollen auszudünnen, damit ihre Wagen kleine Hindernisse auf dem Boden überwinden konnten.

In beiden Fällen erleichterte die Verengung im Achsenbereich dank des mechanischen Vorteils das Schieben der Wagen. Mit der Zeit bevorzugte man immer wieder die leistungsfähigeren Ausführungen, während neue Rollen nach dem Vorbild dieser besten Varianten gefertigt wurden.

Dadurch wurden die Rollen zunehmend schmaler, bis schliesslich nur noch ein dünner Stab übrig blieb, der an beiden Enden von grossen Scheiben abgeschlossen wurde. Diese einfache Konstruktion kennzeichnet die Geburt dessen, was wir heute „das Rad“ nennen.

Unserer Theorie zufolge gab es keinen exakt bestimmbaren Augenblick, in dem das Rad erfunden wurde. Vielmehr entstand es, ähnlich wie die Entwicklung von Arten, schrittweise durch die Ansammlung vieler kleiner Verbesserungen.

Dies ist lediglich eines von zahlreichen Kapiteln in der langen und noch immer andauernden Evolution des Rades. Mehr als 5.000 Jahre nach den Beiträgen der Karpaten-Bergleute erfand ein Pariser Fahrradmechaniker radiale Kugellager, die den Radtransport erneut revolutionierten.

Ironischerweise entsprechen Kugellager vom Konzept her genau den Rollen, dem evolutionären Vorläufer des Rades. Sie bilden einen Ring um die Achse und schaffen eine rollende Kontaktfläche zwischen Achse und Radnabe, wodurch Reibung umgangen wird. Mit dieser Innovation schloss sich der Kreis der Evolution des Rades.

Dieses Beispiel verdeutlicht zugleich, dass die Entwicklung des Rades ähnlich wie seine ikonische Form einem verschlungenen Weg folgt – einem Weg ohne klaren Anfang, ohne Ende und mit unzähligen stillen Revolutionen dazwischen.

Kai James, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik, Georgia Institute of Technology

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz erneut von The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.