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Wer hat eigentlich die Quarzuhr erfunden?

« Dass der britische Uhrmacher John Harwood als Erfinder der Automatikuhr gilt, ist hinlänglich bekannt. Doch findet sich in den Tiefen der horologischen Historie auch eine vergleichbare Persönlichkeit, die den Weg zur Quarzuhr ebnete? Oder zeichnen gar mehrere für diesen die Zeitmessung in gewisser Weise revolutionierenden Coup verantwortlich? Begeben Sie sich mit uns auf eine spannende Zeitreise durch die Geschichte des modernen Zeitanzeigers! »

Ein Dreikomponentenwerk

Ein elektronischer Quarzoszillator gibt den Takt vor – und die Zeiger folgen. Sie folgen ihrem Taktgeber, sie folgen der Vergänglichkeit kostbarer Stunden, Minuten, Sekunden. Und sie tun es so präzise wie nie zuvor. Die enorme Ganggenauigkeit ist das große Plus eines Quarzwerks.

@wikipedia – Marcin Andrzejewski / Wikimpan
@wikipedia – Marcin Andrzejewski / Wikimpan

Sie gelang nicht von heute auf morgen, die Erfindung des elektromechanischen oder vollelektronischen Zeitanzeigers. Vielmehr bedurfte es mehrerer technischer Voraussetzungen, um die Quarzuhr „in Schwung“ und auf den Uhrenmarkt zu bringen. Ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zum ersten funktionsfähigen Modell war die Entdeckung der Piezoelektrizität durch die Brüder Jacques und Pierre Curie, die sich im Jahr 1880 ereignete. Exakt vier Jahrzehnte später entwickelte der US-amerikanische Physiker und Elektroingenieur Walter Guyton Cady elektronische Schaltkreise, die einerseits den Quarz anregen und andererseits einen Schwingkreis stabilisieren konnten. 1922 präsentierte George Washington Pierce eine Vereinfachung der Schaltung. Bis heute ist die sogenannte Pierce-Schaltung die am weitesten verbreitete Variante eines piezoelektrischen Schaltkreises.

Zu guter Letzt mussten Frequenzteiler beziehungsweise schnell drehende Synchronmotoren geboren werden, um Ausgabeeinheiten für den Sekundentakt zu gewährleisten. Insofern darf man die Quarzuhr durchaus als Dreikomponentenwerk bezeichnen. Ohne die erwähnten Erfinder und Erfindungen gäbe es sie nicht.

Und dann kam er: der Erfinder eines ersten Quarzmodells

Er studierte in einer am Tal des Hudson Rivers gelegenen Stadt – an der Queen’s University in Kingston, New York – und machte dort 1920 seinen Bachelor-Abschluss als Physikingenieur. Der Master-Abschluss an der Harvard University folgte im Jahr 1921. Daraufhin arbeitete er für Western Electric, ein ehemaliges Elektrotechnikunternehmen, und war ab 1925 an den Bell Laboratories in New York tätig. Dort forschte er nach geeigneten Frequenzstandards, um zwei Jahre später die erste Quarzuhr der Welt vorzustellen: Der gebürtige Kanadier Warren Alvin Marrison (1896 – 1980) präsentierte eine Uhr, die einen Quarz mit 50.000 Hertz Resonanz beherbergte, der wiederum einen elektronischen Schwingkreis regulierte.

@wikipedia – Chetvorno
@wikipedia – Chetvorno

Die Wechselstromfrequenz ebendieses Schwingkreises trieb einen Synchronmotor mit Zeigerwerk an. Funktional stellte die Uhr eine Offenbarung dar, wenngleich sie bei Temperaturschwankungen noch recht unpräzise lief. Und sie wies schrankartige Dimensionen auf, sodass noch lange nicht daran zu denken war, eine Quarzuhr tatsächlich einmal am Handgelenk tragen zu können.

Genauer, kompakter, (hand)gelenkiger

Der Erfinder der ersten Quarzuhr, die als solche bezeichnet werden kann, heißt also Warren Alvin Marrison. Wie es mit Geniestreichen nicht selten der Fall ist, erfuhr auch dieses Werk kontinuierliche Weiterentwicklungen und Verbesserungen. Die erste nennenswerte „Zugabe“ folgte bereits 1932, als das Duo Adolf Scheibe und Udo Adelsberger begann, eine Reihe unterschiedlich konstruierter Quarzmodelle zu bauen. Mit der Kreation ihrer Zeitanzeiger machten die beiden deutschen Physiker die Entdeckung, dass sich die Erde nicht gleichmäßig dreht und die Geschwindigkeit der Erdrotation demnach nicht konstant ist. Je nachdem, ob Frühling, Sommer, Herbst oder Winter herrscht, differiert die Zeit um Millisekunden.

1938 kam das erste käufliche Exemplar für Wissenschaft und Industrie auf den Markt. Sie wurde vom Physikalisch-Technischen Entwicklungslabor Rohde und Schwarz (damals Dr. Rohde und Dr. Schwarz) in München hergestellt. Die Unwägbarkeiten der früheren Röhrenelektronik umschiffte die Uhr mit dem Namen CFQ auf geschickte Weise – nämlich durch die patentierte Kombination aus Quarzoszillator und Stimmgabel. Ihre Präzision und Zuverlässigkeit überzeugten dermaßen, dass ab Oktober 1939 zwei Uhren dieser Bauart im deutschen Zeitdienst zum Einsatz kamen – zur Berechnung der Normalzeit und als Steuergerät für das Zeitzeichen.

@wikipedia – Deutsches-uhrenmuseum
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Nach dem Zweiten Weltkrieg begannen Quarzuhren die Präzisionspendeluhren als wissenschaftlichen und industriellen Standard zu ersetzen – und zwar flächendeckend. Forschungstechnisch standen in den Jahren ab 1945 Bemühungen um eine Verkleinerung im Vordergrund. Sie sollten endlich tragbar werden. Ein entscheidender Schritt in diese Richtung gelang dem Genfer Uhrenhersteller Patek Philippe in den späten 1950ern – dank der Zusammenführung von Halbleitertechnologie, neuartigen Synchronmotoren und zuverlässig(er) arbeitenden Batterien.

Ein japanisch-schweizerisches Duell

Erstmals gerieten Quarzarmbanduhren 1967 in den Fokus der breiten Öffentlichkeit. Grund dafür war der Chronometerwettbewerb des Observatoriums in Neuchâtel in der Schweiz. Das Centre Électronique Horloger (Schweizer Forschungszentrum für elektronische Uhren, kurz CEH) reichte damals ebenso wie die japanische Firma Seiko Prototypen von Quarzarmbanduhren ein. Hinsichtlich des Kriteriums der Ganggenauigkeit waren die Quarzmodelle allen mechanischen Armbanduhren überlegen. Und: Die Schweizer Ausführungen erreichten dank einer ausgeklügelten Temperaturkompensation noch bessere Werte als der Konkurrent aus Japan. Nichtsdestotrotz machte das auf eine Massenproduktion fokussierte Unternehmen Seiko das Rennen – und der Welt zu Weihnachten des Jahres 1969 das Geschenk der ersten am Handgelenk tragbaren Quarzuhr.

@wikipedia – Deutsches-uhrenmuseum
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Tsuneya Nakamura und seine Astron

Ein ganzes Jahrzehnt lang tüftelte Tsuneya Nakamura von Seiko im Geheimen am Projekt Gojukyu-A, das ihm und seinem Unternehmen die Herstellung der ersten serienreifen Quarzarmbanduhr – Astron – bescheren sollte. Er kannte die Merkmale, auf die es ankam – unter anderem durch den schuhkartongroßen Quarzchronometer, den Patek Philippe schuf. Mit nur fünf Helfern konnte Nakamura ein kleines, zuverlässiges und seriell produzierbares Quarzwerk entwickeln. Nach seinem Konzept – bestehend aus Quarzresonator, energiesparender integrierter CMOS-Schaltung und Schrittschaltmotor für die Bewegung der Zeiger – funktioniert bis heute im Grunde genommen jede analoge Quarz. Übrigens kostete die Astron zu Beginn noch so viel wie ein Kleinwagen, ehe der immense Preissturz im Rahmen günstiger Massenproduktionen Einzug hielt.

Die Fehler der Schweizer

@wikipedia – Omega-collector
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Als Erfinder der ersten am Handgelenk tragbaren Quarzuhr dürfen wir also den japanischen Uhrenhersteller Seiko anführen. Betrachtet man die Entwicklung in den 1960er-Jahren etwas genauer, so zeigt sich, dass sich diesen Titel auch die Schweizer ohne weiteres hätten verdienen können – wenn, ja wenn sie in ihren Bestrebungen konsequenter gewesen wären. Schließlich gründete man das CEH, um ein „Uhrwerk der Zukunft“ zu erwirken. Mit insgesamt 30 Millionen Franken Entwicklungskosten entstand das Kaliber Beta 21, das zwar ausgesprochen exakt, aber auch empfindlich und für die Serienproduktion zu komplex war. Und dann zogen es die Verantwortlichen vor, ihren Miniaturisierungs- und Genauigkeits-Perfektionismus auf die Spitze zu treiben, anstatt weiter an ihrem vielversprechenden Werk zu arbeiten.

Zwar gelang es, mehrere Weltrekorde aufzustellen, etwa die flachste Uhr der Welt zu bauen. Doch im „Kampf“ um die Krone des ersten Herstellers einer Quarzarmbanduhr brachten diese Errungenschaften nichts. Zudem gingen die Schweizer (zu lange) davon aus, dass Quarzwerke ohnehin kein massenmarkttaugliches Produkt seien.

Der Vorsprung anderer war damit uneinholbar. So schlitterten sie in die Krise, während Seiko und einige andere Unternehmen den Ritt auf der Erfolgswelle genossen. Automatisierte Prozesse und die damit einhergehenden extremen Preissenkungen brachten Letzteren mehr als nur respektable Umsätze, insbesondere in den USA.

Das präzise Quarzwerk hat viele Erfinder

Wer hat eigentlich die Quarzuhr erfunden? Mit dieser Frage betitelten wir unseren Beitrag. Die Antwort ist vielschichtig: Denn Namen wie Jacques und Pierre Curie, Walter Guyton Cady und George Washington Pierce haben mit ihren technischen Innovationen ebenso erheblichen Anteil an der Entwicklung wie die eigentlichen Erfinder Warren Alvin Marrison und Tsuneya Nakamura. Nicht zu vergessen die „Zwischenetappen“ mit Genies wie Adolf Scheibe und Udo Adelsberger, Rohde und Schwarz sowie Patek Philippe und die Meister des Schweizer CEH.

@wikipedia – Garitzko
@wikipedia – Garitzko

Alles in allem hat die Quarzuhr also viele Väter, von denen jeder seinen Teil zu dem beigetragen hat, worüber wir uns bis heute freuen dürfen: Präzise Uhrwerke!