Magnus-Effekt und Turbosegel

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-10 20:31

In Australien haben Amateurphysiker den Magnus-Effekt in Aktion demonstriert. Das auf YouTube gepostete Testvideo hat über 9 Millionen Aufrufe erhalten.

Der Magnus-Effekt ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn ein Flüssigkeits- oder Gasstrom um einen rotierenden Körper strömt. Wenn sich ein fliegender runder Körper um ihn dreht, beginnen nahegelegene Luftschichten zu zirkulieren. Dadurch ändert der Körper im Flug seine Bewegungsrichtung.

Für das Experiment wählten Hobbyphysiker einen 126,5 Meter hohen Damm und einen gewöhnlichen Basketball. Zunächst wurde der Ball einfach nach unten geworfen, er flog parallel zum Damm und landete an der markierten Stelle. Beim zweiten Mal wurde der Ball fallen gelassen und rollte leicht um seine Achse. Der fliegende Ball flog eine ungewöhnliche Flugbahn entlang, was den Magnus-Effekt deutlich demonstrierte.

Der Magnus-Effekt erklärt, warum der Ball bei einigen Sportarten, wie zum Beispiel Fußball, in einer seltsamen Flugbahn fliegt. Das auffälligste Beispiel für den "abnormalen" Flug des Balls war nach einem Freistoß des Fußballspielers Roberto Carlos während des Spiels am 3. Juni 1997 zwischen den Nationalmannschaften Brasiliens und Frankreichs.

Das Schiff steht unter Turbosegeln

Die berühmte Dokumentarserie "The Cousteau Team's Underwater Odyssey" wurde von dem großen französischen Ozeanographen in den 1960er – 1970er Jahren gedreht. Das Hauptschiff der Cousteau wurde dann vom britischen Minensuchboot "Calypso" umgebaut. Aber in einem der folgenden Filme - "Rediscovery of the World" - erschien ein anderes Schiff, die Yacht "Alcyone".

Beim Betrachten stellten sich viele Zuschauer die Frage: Was sind das für seltsame Rohre, die auf der Yacht installiert sind?.. Vielleicht sind es Rohre von Kesseln oder Antriebssystemen? Stellen Sie sich Ihr Erstaunen vor, wenn Sie herausfinden, dass dies SEGEL … Turbosegel …

Der Cousteau-Fonds erwarb 1985 die Yacht "Alkion", und dieses Schiff galt weniger als Forschungsschiff, sondern als Basis für die Untersuchung der Effizienz von Turbosegeln - dem ursprünglichen Schiffsantriebssystem. Und als 11 Jahre später die legendäre "Calypso" sank, nahm die "Alkiona" ihren Platz als Hauptschiff der Expedition ein (heute wurde die "Calypso" übrigens gehoben und befindet sich in einem halb ausgeplünderten Zustand in der Hafen von Concarneau).

Tatsächlich wurde das Turbosegel von Cousteau erfunden. Sowie Tauchausrüstung, eine Unterwasseruntertasse und viele andere Geräte, um die Tiefen des Meeres und die Oberfläche der Ozeane zu erkunden. Die Idee entstand Anfang der 1980er Jahre und bestand darin, das umweltfreundlichste, aber gleichzeitig bequemste und modernste Antriebssystem für Wasservögel zu schaffen. Die Nutzung der Windkraft schien das vielversprechendste Forschungsgebiet zu sein. Aber hier ist das Pech: Die Menschheit hat vor mehreren tausend Jahren ein Segel erfunden, und was könnte einfacher und logischer sein?

Cousteau und seine Firma verstanden natürlich, dass es unmöglich war, ein ausschließlich mit Segeln angetriebenes Schiff zu bauen. Genauer gesagt vielleicht, aber seine Fahrleistung wird sehr mittelmäßig sein und von den Launen des Wetters und der Windrichtung abhängig sein. Daher war ursprünglich geplant, dass das neue "Segel" nur eine Hilfskraft sein soll, die herkömmlichen Dieselmotoren helfen soll. Gleichzeitig würde ein Turbosegel den Dieselverbrauch deutlich reduzieren und bei starkem Wind der einzige Antrieb des Schiffes sein. Und der Blick des Forschungsteams wandte sich der Vergangenheit zu – zur Erfindung des deutschen Ingenieurs Anton Flettner, des berühmten Flugzeugkonstrukteurs, der maßgeblich zum Schiffbau beigetragen hat.

Flettners Rotor und der Magnus-Effekt

Am 16. September 1922 erhielt Anton Flettner ein deutsches Patent für das sogenannte Drehgefäß. Und im Oktober 1924 verließ das Versuchskreiselschiff Buckau die Bestände der Schiffbaufirma Friedrich Krupp in Kiel. Der Schoner wurde zwar nicht von Grund auf neu gebaut: Vor der Installation der Flettner-Rotoren war es ein gewöhnliches Segelschiff.

Die Idee von Flettner war, den sogenannten Magnus-Effekt zu nutzen, der im Wesentlichen wie folgt lautet: Wenn ein Luft- (oder Flüssigkeits-) Strom um einen rotierenden Körper strömt, wird eine Kraft erzeugt, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht und auf die der Körper. Tatsache ist, dass ein rotierendes Objekt eine Wirbelbewegung um sich selbst erzeugt. Auf der Seite des Objekts, wo die Richtung des Wirbels mit der Richtung des Flüssigkeits- oder Gasflusses übereinstimmt, nimmt die Geschwindigkeit des Mediums zu und auf der gegenüberliegenden Seite ab. Der Druckunterschied erzeugt eine Scherkraft, die von der Seite aus gerichtet ist, an der die Drehrichtung und die Strömungsrichtung entgegengesetzt zur Seite sind, an der sie zusammenfallen.

Dieser Effekt wurde 1852 von dem Berliner Physiker Heinrich Magnus entdeckt.

Magnus-Effekt

Der deutsche Luftfahrtingenieur und Erfinder Anton Flettner (1885-1961) ging als Mann, der versuchte, Segel zu ersetzen, in die Geschichte der Schifffahrt ein. Er hatte die Chance, lange Zeit auf einem Segelschiff über den Atlantik und den Indischen Ozean zu reisen. Viele Segel wurden an den Masten der Segelschiffe dieser Zeit gesetzt. Segelausrüstung war teuer, komplex und aerodynamisch nicht sehr effizient. Ständige Gefahren lauerten auf Segler, die selbst bei Sturm in 40-50 Meter Höhe segeln mussten.

Während der Fahrt kam dem jungen Ingenieur die Idee, die aufwändigeren Segel durch ein einfacheres, aber effektiveres Gerät zu ersetzen, dessen Hauptantrieb auch der Wind sein sollte. Bei diesen Überlegungen erinnerte er sich an aerodynamische Experimente seines Landsmanns Physiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Sie fanden heraus, dass bei der Rotation eines Zylinders in einem Luftstrom eine Querkraft mit einer von der Rotationsrichtung des Zylinders abhängigen Richtung entsteht (Magnus-Effekt).

Einer seiner klassischen Experimente sah so aus: „Ein Messingzylinder könnte sich zwischen zwei Punkten drehen; die schnelle Drehung des Zylinders wurde, wie bei einem Kreisel, durch eine Schnur verliehen.

Der rotierende Zylinder war in einem Rahmen untergebracht, der wiederum leicht gedreht werden konnte. Ein starker Luftstrahl wurde diesem System unter Verwendung einer kleinen Kreiselpumpe zugeführt. Der Zylinder wich in einer Richtung senkrecht zum Luftstrom und zur Zylinderachse ab, außerdem in die Richtung, aus der die Drehrichtungen und der Strahl gleich waren "(L. Prandtl "Der Magnus-Effekt und das Windschiff", 1925.)).

A. Flettner dachte sofort, dass die Segel durch rotierende Zylinder ersetzt werden könnten, die auf dem Schiff installiert sind.

Es stellt sich heraus, dass dort, wo sich die Oberfläche des Zylinders gegen den Luftstrom bewegt, die Windgeschwindigkeit abnimmt und der Druck zunimmt. Auf der anderen Seite des Zylinders ist das Gegenteil der Fall - die Geschwindigkeit des Luftstroms nimmt zu und der Druck sinkt. Dieser Druckunterschied von verschiedenen Seiten des Zylinders ist die treibende Kraft, die das Gefäß in Bewegung setzt. Dies ist das Grundprinzip der Funktionsweise von rotierenden Geräten, die die Kraft des Windes nutzen, um das Schiff zu bewegen. Alles ist ganz einfach, aber nur A. Flettner ist "nicht vorbeigekommen", obwohl der Magnus-Effekt seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt ist.

Mit der Umsetzung des Plans begann er 1923 auf einem See bei Berlin. Eigentlich hat Flettner eine ziemlich einfache Sache gemacht. Er installierte einen Papier-Zylinder-Rotor mit einer Höhe von etwa einem Meter und einem Durchmesser von 15 cm auf einem Meter langen Testboot und passte ein Uhrwerk an, um es zu drehen. Und das Boot segelte davon.

Die Kapitäne von Segelschiffen spotteten über die Zylinder von A. Flettner, mit denen er die Segel ersetzen wollte. Dem Erfinder gelang es mit seiner Erfindung, wohlhabende Kunstmäzene zu interessieren. Anstelle von drei Masten wurden 1924 auf dem 54-Meter-Schoner "Buckau" zwei Rotorzylinder eingebaut. Diese Zylinder wurden von einem 45 PS starken Dieselgenerator angetrieben.

Die Rotoren der Bucau wurden von Elektromotoren angetrieben. Tatsächlich gab es im Design keinen Unterschied zu den klassischen Experimenten von Magnus. Auf der Seite, auf der sich der Rotor gegen den Wind drehte, entstand ein Bereich erhöhten Drucks, auf der gegenüberliegenden Seite ein Tiefdruckbereich. Die resultierende Kraft treibt das Schiff an. Außerdem war diese Kraft etwa 50-mal größer als die Kraft des Winddrucks auf einen stehenden Rotor!

Das eröffnete Flettner große Perspektiven. Unter anderem waren die Rotorfläche und deren Masse um ein Vielfaches geringer als die Fläche des Segelriggs, die gleiche Antriebskraft gegeben hätte. Der Rotor war viel einfacher zu kontrollieren und recht günstig in der Herstellung. Von oben bedeckte Flettner die Rotoren mit Plattenebenen - dies erhöhte die Antriebskraft durch die richtige Ausrichtung der Luftströmungen relativ zum Rotor um etwa das Doppelte. Die optimale Höhe und der Durchmesser des Rotors für "Bukau" wurden berechnet, indem ein Modell des zukünftigen Schiffes in einem Windkanal geblasen wurde.

Der Rotor von Flettner erwies sich als ausgezeichnet. Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Segelschiff hatte ein Kreiselschiff praktisch keine Angst vor schlechtem Wetter und starkem Seitenwind, es konnte problemlos mit abwechselnden Wenden in einem Winkel von 25 ° zum Gegenwind segeln (für ein normales Segel liegt die Grenze bei etwa 45 °). Zwei zylindrische Rotoren (Höhe 13,1 m, Durchmesser 1,5 m) ermöglichten es, das Schiff perfekt auszubalancieren - es erwies sich als stabiler als das Segelboot, das Bukau vor der Umstrukturierung war.

Die Tests wurden bei Windstille, Sturm und absichtlicher Überlastung durchgeführt – und es wurden keine gravierenden Mängel festgestellt. Am vorteilhaftesten für die Schiffsbewegung war die Windrichtung genau senkrecht zur Schiffsachse, und die Bewegungsrichtung (vorwärts oder rückwärts) wurde durch die Drehrichtung der Rotoren bestimmt.

Mitte Februar 1925 verließ der Schoner Buckau, ausgerüstet mit Flettners Rotoren statt Segeln, Danzig (heute Danzig) in Richtung Schottland. Das Wetter war schlecht und die meisten Segelboote wagten es nicht, die Häfen zu verlassen. In der Nordsee hatte die Buckau mit starken Winden und großen Wellen ernsthaft zu kämpfen, aber der Schoner krängte weniger an Bord als andere Segelboote.

Während dieser Fahrt war es nicht erforderlich, die Besatzungsmitglieder an Deck zu rufen, um je nach Windstärke oder -richtung die Segel zu wechseln. Ein Navigator der Wache genügte, der, ohne das Steuerhaus zu verlassen, die Aktivität der Rotoren kontrollieren konnte. Früher bestand die Besatzung eines Dreimastschoners aus mindestens 20 Seeleuten, nach dem Umbau zum Kreiselschiff reichten 10 Personen.

Im selben Jahr legte die Werft den Grundstein für das zweite Kreiselschiff – den mächtigen Frachter „Barbara“, angetrieben von drei 17-Meter-Rotoren. Dabei reichte für jeden Rotor ein kleiner Motor mit nur 35 PS Leistung. (bei der maximalen Drehzahl jedes Rotors 160 U/min)! Der Rotorschub entsprach dem eines Propellerpropellers gekoppelt mit einem konventionellen Schiffsdieselmotor mit einer Leistung von ca. 1000 PS. Auf dem Schiff war jedoch auch ein Dieselmotor vorhanden: Neben den Rotoren setzte er einen Propeller in Bewegung (der bei Windstille das einzige Antriebsgerät blieb).

Vielversprechende Experimente veranlassten die Hamburger Reederei Rob. M. Sloman 1926 zum Bau des Schiffes Barbara. Es war im Voraus geplant, Turbosegel auszurüsten - Flettners Rotoren. Auf einem 90 m langen und 13 m breiten Schiff wurden drei Rotoren mit einer Höhe von ca. 17 m montiert.

Wie geplant transportiert Barbara seit einiger Zeit erfolgreich Obst von Italien nach Hamburg. Ungefähr 30–40 % der Reisezeit war das Schiff aufgrund der Windstärke unterwegs. Bei 4-6 Punkten Wind erreichte "Barbara" eine Geschwindigkeit von 13 Knoten.

Es war geplant, das Drehschiff auf längeren Fahrten im Atlantik zu testen.

Aber in den späten 1920er Jahren schlug die Weltwirtschaftskrise zu. 1929 gab die Chartergesellschaft die weitere Pacht der Barbara auf und wurde verkauft. Der neue Eigner entfernte die Rotoren und baute das Schiff nach traditionellem Schema um. Dennoch verlor der Rotor in Kombination mit einem konventionellen Dieselkraftwerk aufgrund seiner Windabhängigkeit und gewisser Einschränkungen in Leistung und Drehzahl an die Schraubenpropeller. Flettner wandte sich fortgeschritteneren Forschungen zu, und Baden-Baden sank schließlich 1931 während eines Sturms in der Karibik. Und die Drehsegel haben sie lange vergessen …

Der Beginn der Drehschiffe war anscheinend recht erfolgreich, aber sie wurden nicht weiterentwickelt und gerieten lange Zeit in Vergessenheit. Wieso den? Zuerst stürzte sich der "Vater" der Drehschiffe A. Flettner in die Entwicklung von Hubschraubern und interessierte sich nicht mehr für den Seetransport. Zweitens sind Drehschiffe trotz aller Vorteile Segelschiffe mit ihren inhärenten Nachteilen geblieben, deren wichtigste die Abhängigkeit vom Wind ist.

Flettners Rotoren interessierten sich erneut für die 80er Jahre des 20. Jahrhunderts, als Wissenschaftler begannen, verschiedene Maßnahmen vorzuschlagen, um die Klimaerwärmung zu mildern, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und den Kraftstoff rationeller zu verwenden. Einer der ersten, der sich an sie erinnerte, war der französische Entdecker Jacques-Yves Cousteau (1910–1997). Um die Funktion des Turbosegelsystems zu testen und den Treibstoffverbrauch zu reduzieren, wurde der Zweimastkatamaran "Alcyone" (Alcyone ist die Tochter des Windgottes Aeolus) zu einem Drehschiff umgebaut. Nachdem er 1985 zu einer Seereise aufgebrochen war, reiste er nach Kanada und Amerika, umrundete Kap Hoorn, umging Australien und Indonesien, Madagaskar und Südafrika. Er wurde an das Kaspische Meer versetzt, wo er drei Monate lang segelte und verschiedene Forschungen durchführte. Alcyone verwendet immer noch zwei verschiedene Antriebssysteme - zwei Dieselmotoren und zwei Turbosegel.

Turbosegel Cousteau

Segelboote wurden im 20. Jahrhundert gebaut. Bei modernen Schiffen dieses Typs wird die Segelbewaffnung mit Hilfe von Elektromotoren gefaltet, neue Materialien ermöglichen eine deutliche Erleichterung der Struktur. Aber ein Segelboot ist ein Segelboot, und die Idee, Windenergie radikal neu zu nutzen, liegt seit Flettners Tagen in der Luft. Und sie wurde von dem unermüdlichen Abenteurer und Entdecker Jacques-Yves Cousteau abgeholt.

Am 23. Dezember 1986, nachdem das am Anfang des Artikels erwähnte Alcyone auf den Markt kam, erhielten Cousteau und seine Kollegen Lucien Malavar und Bertrand Charier das gemeinsame Patent Nr. US4630997 für "eine Vorrichtung, die Kraft durch die Verwendung einer sich bewegenden Flüssigkeit oder eines Gases erzeugt".." Die allgemeine Beschreibung lautet wie folgt: „Das Gerät wird in einer Umgebung aufgestellt, die sich in eine bestimmte Richtung bewegt; in diesem Fall entsteht eine Kraft, die in einer Richtung senkrecht zur ersten wirkt. Das Gerät vermeidet den Einsatz von massiven Segeln, bei denen die Antriebskraft proportional zur Segelfläche ist.“Was ist der Unterschied zwischen Cousteaus Turbosail und Flettners Drehsegel?

Im Querschnitt ist ein Turbosegel so etwas wie ein länglicher Tropfen, der vom scharfen Ende abgerundet wird. An den Seiten des "Tropfens" befinden sich Lufteinlassgitter, durch eines von denen (je nach Bedarf vorwärts oder rückwärts) Luft abgesaugt wird. Für die effizienteste Windabsaugung wird ein kleiner, von einem Elektromotor angetriebener Lüfter in den Lufteinlass des Turbosegels eingebaut.

Es erhöht künstlich die Geschwindigkeit der Luftbewegung von der Leeseite des Segels und saugt den Luftstrom im Moment seiner Trennung von der Ebene des Turbosegels an. Dadurch entsteht ein Unterdruck auf einer Seite des Turbosegels und verhindert gleichzeitig die Bildung von turbulenten Wirbeln. Und dann wirkt der Magnus-Effekt: Verdünnung auf einer Seite, also eine Querkraft, die das Schiff in Bewegung setzen kann. Eigentlich ist ein Turbosail ein vertikal positionierter Flugzeugflügel, zumindest ist das Prinzip der Erzeugung einer Vortriebskraft ähnlich dem Prinzip der Erzeugung eines Auftriebs eines Flugzeugs. Damit das Turbosegel immer in die günstigste Richtung zum Wind gedreht wird, ist es mit speziellen Sensoren ausgestattet und auf einer Drehscheibe montiert. Das Patent von Cousteau impliziert übrigens, dass nicht nur ein Ventilator, sondern beispielsweise auch eine Luftpumpe Luft aus dem Inneren eines Turbosegels saugen kann - Cousteau schloss damit das Tor für nachfolgende „Erfinder“.

Tatsächlich testete Cousteau 1981 zum ersten Mal einen Prototyp eines Turbosegels auf dem Katamaran Moulin à Vent. Die größte erfolgreiche Fahrt des Katamarans war eine Reise von Tanger (Marokko) nach New York unter der Aufsicht eines größeren Expeditionsschiffs.

Und im April 1985 wurde im Hafen von La Rochelle mit der Alcyone das erste vollwertige Schiff mit Turbosegeln vom Stapel gelassen. Jetzt ist sie immer noch in Bewegung und heute das Flaggschiff (und tatsächlich das einzige große Schiff) der Cousteau-Flottille. Die Turbosegel darauf sind nicht der einzige Mover, aber sie helfen beim üblichen Kuppeln von zwei Dieseln und

mehrere Schrauben (was übrigens den Kraftstoffverbrauch um etwa ein Drittel reduziert). Wenn der große Ozeanograph noch am Leben wäre, hätte er wahrscheinlich noch mehrere ähnliche Schiffe gebaut, aber die Begeisterung seiner Mitarbeiter nach dem Ablegen von Cousteau ließ merklich nach.

Kurz vor seinem Tod 1997 arbeitete Cousteau aktiv am Projekt des Schiffes "Calypso II" mit einem Turbosegel, schaffte es jedoch nicht, es abzuschließen. Nach neuesten Angaben lag "Alkiona" im Winter 2011 im Hafen von Caen und wartete auf eine neue Expedition.

Und wieder Flettner

Heute wird versucht, Flettners Idee wiederzubeleben und Drehsegel zum Mainstream zu machen. Das berühmte Hamburger Unternehmen Blohm + Voss zum Beispiel begann nach der Ölkrise von 1973 mit der aktiven Entwicklung eines Drehtankers, doch 1986 überdeckten wirtschaftliche Faktoren dieses Projekt. Dann gab es eine ganze Reihe von Amateurentwürfen.

2007 bauten Studierende der Universität Flensburg einen Katamaran mit Drehsegelantrieb (Uni-cat Flensburg).

2010 erschien das dritte Schiff mit Drehsegeln überhaupt - der schwere Lkw E-Ship 1, der im Auftrag von Enercon, einem der größten Hersteller von Windkraftanlagen weltweit, gebaut wurde. Am 6. Juli 2010 lief das Schiff erstmals vom Stapel und machte eine kurze Reise von Emden nach Bremerhaven. Und schon im August unternahm er mit einer Ladung von neun Windrädern seine erste Arbeitsreise nach Irland. Das Schiff ist mit vier Flettner-Rotoren und natürlich einem traditionellen Antrieb bei Windstille und für zusätzliche Leistung ausgestattet. Drehsegel dienen jedoch nur als Hilfspropeller: Für einen 130-Meter-Lkw reicht ihre Kraft nicht aus, um die richtige Geschwindigkeit zu entwickeln. Die Motoren sind neun Mitsubishi-Kraftwerke, die Rotoren werden von einer Siemens-Dampfturbine angetrieben, die Energie aus Abgasen nutzt. Drehsegel bieten 30 bis 40 % Kraftstoffeinsparungen bei 16 Knoten.

Doch das Turbosegel von Cousteau bleibt in Vergessenheit: Die "Alcyone" ist heute das einzige Schiff in Originalgröße mit dieser Antriebsart. Die Erfahrungen deutscher Schiffbauer werden zeigen, ob es sinnvoll ist, das Thema Segel mit Magnuseffekt weiterzuentwickeln. Die Hauptsache ist, dafür einen Business Case zu finden und dessen Wirksamkeit zu beweisen. Und dort, sehen Sie, wird sich die gesamte Weltschifffahrt nach dem Prinzip richten, das ein talentierter deutscher Wissenschaftler vor mehr als 150 Jahren beschrieben hat.

Am 2. August 2010 hat der weltgrößte Hersteller von Windkraftanlagen Enercon auf der Kieler Lindenau-Werft ein 130 Meter langes und 22 Meter breites Drehschiff, das später „E-Ship 1“genannt wurde, vom Stapel gelassen. Anschließend wurde es in Nord- und Mittelmeer erfolgreich getestet und transportiert derzeit Windgeneratoren von Deutschland, wo sie produziert werden, in andere europäische Länder. Es entwickelt eine Geschwindigkeit von 17 Knoten (32 km / h), transportiert gleichzeitig mehr als 9.000 Tonnen Fracht, seine Besatzung besteht aus 15 Personen.

Die in Singapur ansässige Reederei Wind Again, eine Technologie zur Treibstoff- und Emissionsreduzierung, bietet speziell entwickelte Flettner-Rotoren (faltbar) für Tanker und Frachtschiffe an. Sie reduzieren den Kraftstoffverbrauch um 30-40% und werden sich in 3-5 Jahren amortisieren.

Das finnische Schiffsbauunternehmen Wartsila plant bereits, Turbosegel auf Kreuzfahrtschiffen anzupassen. Grund dafür ist der Wunsch der finnischen Fährgesellschaft Viking Line, den Treibstoffverbrauch und die Umweltbelastung zu reduzieren.

Der Einsatz von Flettner-Rotoren auf Sportbooten wird von der Universität Flensburg (Deutschland) untersucht. Steigende Ölpreise und eine alarmierende Klimaerwärmung scheinen günstige Bedingungen für die Rückgabe von Windkraftanlagen zu sein.