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© computedwingsail.com / Abbildung eines windbetriebenen Schiffes. Seine Flügelsegel sind eines der Designs, mit denen Windkraft für große Schiffe nutzbar gemacht werden kann.
© computedwingsail.com / Abbildung eines windbetriebenen Schiffes. Seine Flügelsegel sind eines der Designs, mit denen Windkraft für große Schiffe nutzbar gemacht werden kann.

Segelfrachtschiffe können von neuen aerodynamischen Technologien profitieren

Verringerung des aerodynamischen Widerstands möglich

Ein Forschungsteam der Universität Chalmers in Schweden demonstriert als erstes eine einzigartige Methode, die den aerodynamischen Widerstand von Schiffen um 7,5 Prozent reduziert. Dies ebnet den Weg für große Frachtschiffe, die allein vom Wind über die Ozeane getragen werden, da windbetriebene Schiffe stärker vom Luftwiderstand betroffen sind als fossil betriebene.

Um die internationalen Klimaziele zu erreichen, müssen die CO2-Emissionen der Schifffahrt bis 2050 um mehr als 50 Prozent gegenüber dem Niveau von 2008 gesenkt werden. Bis zu 99 Prozent der weltweiten Schifffahrt sind derzeit von fossilen Brennstoffen abhängig. Auch wenn kleinere Fähren mit Strom über kürzere Entfernungen transportiert werden können, wird die Elektrifizierung größerer Langstreckenschiffe durch Reichweitenbeschränkungen behindert. Der Bedarf an neuen energieeffizienten Antriebslösungen für die Schifffahrt ist daher groß und dringend.

Forscher in Chalmers sind die ersten, die erfolgreich eine neue Methode demonstriert haben, die den Weg ebnen könnte, um die Klimaauswirkungen der Schifffahrt deutlich zu verringern. Inspiriert von einer aerodynamischen Technologie aus der Luftfahrt haben die Forscher einen Weg gefunden, den Luftwiderstand eines Schiffes um 7,5 Prozent zu reduzieren. Das Ergebnis ist eine erhöhte Energieeffizienz und ein reduzierter Kraftstoffverbrauch.

„Für einen Öltanker auf dem Weg von Saudi-Arabien nach Japan würde dies eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs um etwa zehn Tonnen bedeuten“, sagt Kewei Xu, Postdoc-Forscher für Meerestechnik am Department of Mechanics and Maritime Sciences in Chalmers. „Die Reduzierung des Luftwiderstands wurde selten untersucht; unsere Studie ist eine der ersten ihrer Art.“

Wegbereiter für windbetriebene Schiffe

Das einzigartige Verfahren ist besonders relevant für die zukünftige Windschifffahrt. Windkraftantrieb per Segeln ist per se keine neue Technologie, nur war sie in diesem Bereich jahrzehntelang inaktiv, erst in den letzten Jahren wurde sie wieder aufgenommen.

Ein Schiff mit Windantrieb erfordert ein effizienteres aerodynamisches Design, da es nicht die konstante, hohe Leistung eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Schiffes hat. Bisher wurde der aerodynamische Effekt im Vergleich zum Gesamtwiderstand eines Schiffes im Wasser nicht als wichtig erachtet. Aber auch beim Windantrieb könnte die Methode der Forscher neue Möglichkeiten eröffnen.

„In den nächsten Jahren werden wir wahrscheinlich Schiffe sehen, die Wind- und anderen Kraftstoffantrieb kombinieren. Aber unser langfristiges Ziel ist es, Windkraft zur alleinigen Energiequelle für Frachtschiffe und Co. zu machen“, sagt Kewei Xu.

Der Coanda-Effekt sorgt dafür, dass der Luftstrom an gekrümmten Oberflächen anhaftet
Im Mittelpunkt der Methode steht der Coanda-Effekt mit stetiger Strömung. Dies basiert auf der Tendenz einer Flüssigkeit, – wie Wasser auf der Rückseite eines Löffels – entlang einer nach außen gewölbten Oberfläche (konvex) zu fließen, anstatt von ihr wegzuspritzen.

In der Schifffahrt ist eine der Hauptquellen des Luftwiderstands die quadratische Rückseite der Schiffsaufbauten; der Teil, der aus dem Deck herausragt. Die neue Methode, die von den Chalmers-Forschern entwickelt wurde, induziert den Coanda-Effekt in diesem Bereich.

„Durch die Schaffung eines Designs mit konvexen Kanten an den Schiffsaufbauten und dem Zulassen, dass hochkomprimierte Luft durch „Düsenschlitze“ strömt, ermöglicht der Coanda-Effekt, dass sich der Luftdruck am Schiffsrumpf ausgleicht. Dies wiederum reduziert den Luftwiderstand erheblich und macht das Schiff energieeffizienter“, erklärt Kewei Xu.

Die Methode, die sowohl auf bestehenden als auch auf neu konstruierten Schiffen angewendet werden kann, wird in der in Physics of Fluids veröffentlichten Studie „Large Eddy Simulation of Ship Airflow Control with Steady Coanda Effect“ der Forscher beschrieben .

„Indem wir zeigen, dass unsere Methode den aerodynamischen Widerstand um 7,5 Prozent reduzieren kann, hoffen wir, dass die Schifffahrtsindustrie diese Lösung als Teil ihres notwendigen Übergangs zu niedrigeren Emissionen begrüßen wird“, meint Kewei Xu. „Unsere Studie zeigt auch großes Potenzial auf, den Luftwiderstand durch weitere Optimierungen noch weiter zu reduzieren.“

Die neue Methode der Chalmers-Forscher würde auch Hubschraubern sichere Starts und Landungen auf Schiffen ermöglichen. Turbulenzen entstehen normalerweise, wenn Luft von den Schiffsaufbauten nach unten strömt und den Hubschrauber destabilisiert. Da Piloten an einem sehr genauen Ort auf dem Schiff landen oder starten müssen, ist dies mit großen Risiken verbunden und einige Hubschrauber stürzen ab. Derzeit werden Zäune oder eine angepasste Form auf dem Schiff verwendet, um Risiken zu minimieren, aber sie sind nicht sehr effektiv.

Mehr zum Coanda-Effekt – in Düsenflugzeugen, Klimaanlagen und Haarstyling-Produkten

Der Coanda-Effekt ist nach dem rumänischen Erfinder Henri Coanda benannt, der um 1910 als erster die praktische Anwendung des Phänomens im Flugzeugbau erkannte. Heute wird der Effekt in Düsenflugzeugen genutzt, wo der aerodynamische Auftrieb erhöht wird, da der Jetstream am Flügel „haftet“. Der Coanda-Effekt beeinflusst Luft- und Flüssigkeitsströme in vielen verschiedenen Zusammenhängen, wie z. B. Klimaanlagen. Auch im Friseurhandwerk hat das Phänomen Einzug gehalten, wo es in einigen Produkten zum Einsatz kommt.

Mehr zur Forschung

Die numerischen Tests wurden auf einem Schiffsmodell mittels High-Fidelity-CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt. Die Forscher entwarfen die Technologie, einschließlich Geometrie und Jet-Blowing-Intensität. Die Tests wurden bei SNIC (Swedish National Infrastructure for Computing) im National Supercomputer Centre (NSC) durchgeführt.



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Artikel Online geschaltet von: / Doris Holler /