De beroemde documentaireserie The Cousteau Team's Underwater Odyssey werd in de jaren 60 - 70 opgenomen door de grote Franse oceanograaf. Cousteau's hoofdschip werd toen omgebouwd van de Britse mijnenveger "Calypso". Maar in een van de volgende films - "Rediscovery of the World" - verscheen een ander schip, het jacht "Alcyone".
Toen ze ernaar keken, stelden veel kijkers zich de vraag: wat zijn die vreemde pijpen die op het jacht zijn geïnstalleerd?.. Misschien zijn het pijpen van boilers of voortstuwingssystemen?
Stel je voor dat je verbaasd bent als je ontdekt dat dit ZEILEN zijn … turbosails …
Het Cousteau-fonds verwierf het jacht "Alkion" in 1985, en dit schip werd niet zozeer beschouwd als een onderzoeksschip, maar als een basis voor het bestuderen van de efficiëntie van turbosails - het oorspronkelijke voortstuwingssysteem van het schip. En toen, 11 jaar later, de legendarische "Calypso" zonk, nam "Alkiona" haar plaats in als het belangrijkste schip van de expeditie (trouwens, vandaag wordt "Calypso" gehesen en bevindt zich in een semi-geplunderde staat in de haven van Concarneau).
Eigenlijk is de turbosail uitgevonden door Cousteau. Evenals duikuitrusting, een onderwaterschotel en vele andere apparaten om de diepten van de zee en het oppervlak van de oceanen te verkennen. Het idee werd geboren in het begin van de jaren tachtig en was om het meest milieuvriendelijke, maar tegelijkertijd handige en moderne voortstuwingssysteem voor een watervogel te creëren. Het gebruik van windenergie leek het meest veelbelovende onderzoeksgebied. Maar hier is de pech: de mensheid heeft duizenden jaren geleden een zeil uitgevonden, en wat is er eenvoudiger en logischer?
Cousteau en zijn compagnie begrepen natuurlijk dat het onmogelijk was om een schip te bouwen dat uitsluitend door zeil werd aangedreven. Nauwkeuriger misschien, maar zijn rijprestaties zullen zeer matig zijn en afhankelijk van de grillen van het weer en de windrichting. Daarom was het oorspronkelijk de bedoeling dat het nieuwe "zeil" slechts een hulpkracht zou zijn, die van toepassing is op conventionele dieselmotoren. Tegelijkertijd zou een turbosail het dieselverbruik aanzienlijk verminderen en bij harde wind zou het de enige voortstuwing van het schip kunnen worden. En de blik van het onderzoeksteam keerde terug naar het verleden - naar de uitvinding van de Duitse ingenieur Anton Flettner, de beroemde vliegtuigontwerper die een belangrijke bijdrage leverde aan de scheepsbouw.
Promotie video:
Het turbozeil is een holle cilinder voorzien van een speciale pomp. De pomp creëert een vacuüm aan één kant van de turbosail en pompt lucht in het zeil, de buitenlucht begint met verschillende snelheden rond de turbosail te stromen en het schip begint te bewegen in een richting loodrecht op de luchtdruk. Dit lijkt sterk op de lift die inwerkt op een vliegtuigvleugel - de druk vanaf de onderkant van de vleugel is groter en het vliegtuig duwt omhoog. Door het turbozeil kan het schip tegen elke wind in varen, mits er voldoende pompvermogen is. Het wordt gebruikt als hulpsysteem voor een conventionele scheepsmotor. Twee turbosails geïnstalleerd op het schip van het Cousteau-team "Alkion" maakten het mogelijk om tot 50% brandstof te besparen.
Flettner's rotor en het Magnus-effect
Op 16 september 1922 ontving Anton Flettner een Duits octrooi voor het zogenaamde roterende vaartuig. En in oktober 1924 verliet een experimenteel roterend schip Buckau de voorraden van de scheepsbouwer Friedrich Krupp in Kiel. Toegegeven, de schoener was niet helemaal opnieuw gebouwd: vóór de installatie van Flettner's rotors was het een gewoon zeilschip.
Het idee van Flettner was om het zogenaamde Magnus-effect te gebruiken, waarvan de essentie als volgt is: wanneer een lucht (of vloeistof) stroom rond een roterend lichaam stroomt, wordt een kracht gegenereerd die loodrecht op de richting van de stroom staat en op het lichaam inwerkt. Het is een feit dat een roterend object een draaikolkbeweging om zichzelf heen creëert. Aan de zijkant van het object, waar de richting van de vortex samenvalt met de richting van de stroom van vloeistof of gas, neemt de snelheid van het medium toe en vanaf de andere kant neemt deze af. Door het drukverschil ontstaat een afschuifkracht die gericht is van de kant waar de draairichting en de stromingsrichting tegengesteld zijn, naar de kant waar ze samenvallen.
"Het windschip van Flettner ligt op ieders lippen dankzij buitengewoon ijverige krantenpropaganda", schreef Louis Prandtl in zijn artikel over de ontwikkeling van een Duitse ingenieur.
Dit effect werd in 1852 ontdekt door de Berlijnse natuurkundige Heinrich Magnus.
Magnus-effect
De Duitse luchtvaartingenieur en uitvinder Anton Flettner (1885–1961) ging de geschiedenis van de scheepvaart in als een man die zeilen probeerde te vervangen. Hij heeft lange tijd de kans gehad om op een zeilschip over de Atlantische en Indische Oceaan te reizen. Veel zeilen werden gehesen op de masten van zeilschepen uit die tijd. De zeiluitrusting was duur, complex en aerodynamisch gezien niet erg efficiënt. Constante gevaren lagen op de loer voor zeilers, die zelfs tijdens een storm op 40-50 meter hoogte moesten varen.
Tijdens de reis had de jonge ingenieur het idee om de zeilen, die meer inspanning vergen, te vervangen door een eenvoudiger maar doeltreffend apparaat, waarvan de belangrijkste voortstuwing ook de wind zou zijn. Terwijl hij dit nadacht, herinnerde hij zich aerodynamische experimenten die zijn uitgevoerd door zijn landgenoot, natuurkundige Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Ze ontdekten dat wanneer een cilinder in een luchtstroom draait, er een dwarskracht ontstaat met een richting die afhangt van de draairichting van de cilinder (Magnus-effect).
Een van zijn klassieke experimenten zag er als volgt uit: “Een messing cilinder kan tussen twee punten draaien; de snelle rotatie van de cilinder werd, zoals bij een bovenkant, veroorzaakt door een koord. De roterende cilinder werd in een frame geplaatst, dat op zijn beurt gemakkelijk kon worden gedraaid. Met een kleine centrifugaalpomp werd een sterke luchtstroom naar dit systeem gestuurd. De cilinder week af in de richting loodrecht op de luchtstroom en op de cilinderas, bovendien in de richting van waaruit de draairichtingen en de straal hetzelfde waren "(L. Prandtl" Magnus Effect and a Wind Ship ", 1925).
A. Flettner dacht meteen dat de zeilen konden worden vervangen door draaiende cilinders die op het schip waren geïnstalleerd.
Het blijkt dat waar het oppervlak van de cilinder tegen de luchtstroom in beweegt, de windsnelheid afneemt en de druk toeneemt. Aan de andere kant van de cilinder is het tegenovergestelde waar: het luchtdebiet neemt toe en de druk neemt af. Dit drukverschil van verschillende kanten van de cilinder is de drijvende kracht die het vat doet bewegen. Dit is het basisprincipe van roterende apparatuur die de kracht van de wind gebruikt om het vaartuig te verplaatsen. Alles is heel eenvoudig, maar alleen A. Flettner "kwam niet voorbij", hoewel het Magnus-effect al meer dan een halve eeuw bekend is.
Hij begon het plan in 1923 uit te voeren op een meer bij Berlijn. Eigenlijk deed Flettner iets vrij eenvoudigs. Hij installeerde een papieren cilinderrotor van ongeveer een meter hoog en 15 cm in diameter op een meter lange testboot en paste een klokmechanisme aan om deze te laten draaien. En de boot zeilde weg.
De kapiteins van zeilschepen spotten met de cilinders van A. Flettner, waarmee hij de zeilen wilde vervangen. De uitvinder wist met zijn uitvinding vermogende beschermheren te interesseren. In 1924 werden in plaats van drie masten twee rotorcilinders geïnstalleerd op de 54 meter lange schoener "Buckau". Deze cilinders werden aangedreven door een dieselgenerator van 45 pk.
De rotoren van de Bucau werden aangedreven door elektromotoren. Eigenlijk was er geen verschil met de klassieke experimenten van Magnus in het ontwerp. Aan de kant, waar de rotor tegen de wind in draaide, ontstond een gebied met verhoogde druk, aan de andere kant een lagedrukgebied. De resulterende kracht is wat het schip voortbewoog. Bovendien was deze kracht ongeveer 50 keer groter dan de kracht van de winddruk op een stationaire rotor!
Dit opende grote vooruitzichten voor Flettner. Onder andere het rotoroppervlak en zijn massa waren verschillende keren kleiner dan het oppervlak van het zeilplatform, wat een gelijke aandrijfkracht zou geven. De rotor was veel gemakkelijker te besturen en vrij goedkoop om te vervaardigen. Van bovenaf bedekte Flettner de rotoren met platte platen - dit verhoogde de aandrijfkracht met ongeveer twee keer vanwege de juiste oriëntatie van de luchtstromen ten opzichte van de rotor. De optimale hoogte en diameter van de rotor voor de "Bukau" werd berekend door een model van het toekomstige schip in een windtunnel te blazen.
Cousteau turbosailboat - Voor 2011 is Alkiona het enige schip ter wereld met een Cousteau turbosail. De dood van de grote oceanograaf in 1997 maakte een einde aan de bouw van het tweede schip, de Calypso II, en andere scheepsbouwers vrezen het ongewone ontwerp …
De rotor van Flettner bleek uitstekend te zijn. In tegenstelling tot een gewoon zeilschip was een roterend schip praktisch niet bang voor slecht weer en sterke zijwind, het kon gemakkelijk afwisselend kopspijkers varen in een hoek van 25º met de tegenwind (voor een normaal zeil is de limiet ongeveer 45º). Twee cilindrische rotoren (hoogte 13,1 m, diameter 1,5 m) maakten het mogelijk om het schip perfect in balans te houden - het bleek stabieler te zijn dan de zeilboot die Bukau was vóór de herstructurering. De tests werden uitgevoerd in rust, storm en met opzettelijke overbelasting - en er werden geen ernstige tekortkomingen vastgesteld. Het meest voordelig voor de beweging van het vaartuig was de richting van de wind precies loodrecht op de as van het vaartuig, en de bewegingsrichting (voorwaarts of achterwaarts) werd bepaald door de draairichting van de rotoren.
Half februari 1925 zeilde de schoener Buckau, uitgerust met Flettners rotors in plaats van zeilen, van Danzig (nu Gdansk) naar Schotland. Het weer was slecht en de meeste zeilboten durfden de havens niet uit. In de Noordzee had de Buckau serieus te maken met harde wind en grote golven, maar de schoener hakte minder dan andere zeilboten.
Tijdens deze reis was het niet nodig om de bemanningsleden naar het dek te roepen om afhankelijk van de sterkte of richting van de wind van zeil te wisselen. Eén navigator van de wacht was voldoende, die, zonder de stuurhut te verlaten, de activiteit van de rotoren kon controleren. Voorheen bestond de bemanning van een driemastschoener uit minstens 20 matrozen, na de ombouw tot een roterend schip waren 10 mensen voldoende.
In hetzelfde jaar legde de scheepswerf de basis voor het tweede roterende schip - het machtige vrachtschip "Barbara", voortgestuwd door drie 17 meter lange rotoren. Tegelijkertijd was één kleine motor met een vermogen van slechts 35 pk voldoende voor elke rotor. (bij de maximale rotatiesnelheid van elke rotor 160 tpm)! De stuwkracht van de rotor was gelijk aan die van een propeller aangedreven propeller gekoppeld aan een conventionele scheepsdieselmotor met een vermogen van ongeveer 1000 pk. Het schip had echter ook een dieselmotor: naast de rotors zette het een propeller in beweging (die bij rustig weer het enige voortstuwingsapparaat bleef).
Veelbelovende experimenten waren voor rederij Rob. M. Sloman uit Hamburg aanleiding om in 1926 het schip Barbara te bouwen. Het was van tevoren gepland om turbosails uit te rusten - Flettner's rotors. Op een schip van 90 m lang en 13 m breed zijn drie rotoren met een hoogte van ongeveer 17 m gemonteerd.
Barbara vervoert al geruime tijd met succes fruit van Italië naar Hamburg, zoals gepland. Ongeveer 30-40% van de reisduur voer het schip vanwege de windkracht. Met een wind van 4-6 punten ontwikkelde "Barbara" een snelheid van 13 knopen.
Het was de bedoeling om het roterende vaartuig te testen op langere reizen in de Atlantische Oceaan.
Maar eind jaren twintig sloeg de Grote Depressie toe. In 1929 weigerde de chartermaatschappij de Barbara verder te leasen en werd deze verkocht. De nieuwe eigenaar heeft de rotoren verwijderd en het schip omgebouwd volgens het traditionele schema. Toch verloor de rotor van de schroefpropellers in combinatie met een conventionele dieselmotor vanwege zijn afhankelijkheid van de wind en bepaalde beperkingen in vermogen en snelheid. Flettner wendde zich tot meer geavanceerd onderzoek en Baden-Baden zonk uiteindelijk tijdens een storm in het Caribisch gebied in 1931.
En ze vergaten lange tijd roterende zeilen …
Het lijkt erop dat het begin van roterende vaartuigen behoorlijk succesvol was, maar ze kregen geen ontwikkeling en werden lange tijd vergeten. Waarom? Ten eerste stortte de "vader" van roterende vaartuigen A. Flettner zich in de creatie van helikopters en was hij niet langer geïnteresseerd in zeetransport. Ten tweede, ondanks al hun voordelen, bleven roterende schepen zeilschepen met hun inherente nadelen, waarvan de belangrijkste afhankelijkheid van de wind is.
De rotoren van Flettner waren opnieuw geïnteresseerd in de jaren 80 van de twintigste eeuw, toen wetenschappers verschillende maatregelen begonnen voor te stellen om de klimaatopwarming te verminderen, vervuiling te verminderen en rationeler brandstofgebruik te verminderen. Een van de eersten die ze zich herinnerde, was de Franse ontdekkingsreiziger Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Om de werking van het turbosailsysteem te testen en het brandstofverbruik te verminderen, werd de tweemaster catamaran "Alcyone" (Alcyone is de dochter van de god van de wind Aeolus) omgebouwd tot een roterend vaartuig. Hij vertrok in 1985, reisde naar Canada en Amerika, cirkelde rond Kaap Hoorn, passeerde Australië en Indonesië, Madagaskar en Zuid-Afrika. Hij werd overgebracht naar de Kaspische Zee, waar hij drie maanden voer en verschillende studies deed. Alcyone gebruikt nog steeds twee verschillende aandrijfsystemen: twee dieselmotoren en twee turbosails.
Turbo-zeil Cousteau
Zeilboten werden gedurende de 20e eeuw gebouwd. In moderne schepen van dit type wordt zeilbewapening gevouwen met behulp van elektromotoren; nieuwe materialen maken het mogelijk om de constructie aanzienlijk lichter te maken. Maar een zeilboot is een zeilboot, en het idee om windenergie op een radicaal nieuwe manier te gebruiken, hangt al sinds de tijd van Flettner in de lucht. En ze werd opgepikt door de onvermoeibare avonturier en ontdekkingsreiziger Jacques-Yves Cousteau.
Op 23 december 1986, nadat de Alcyone die aan het begin van het artikel werd genoemd, werd gelanceerd, ontvingen Cousteau en zijn collega's Lucien Malavar en Bertrand Charier gezamenlijk patentnummer US4630997 voor "een apparaat dat kracht genereert door het gebruik van een bewegende vloeistof of gas". De algemene beschrijving is als volgt: “Het apparaat wordt in een omgeving geplaatst die in een bepaalde richting beweegt; dit creëert een kracht die werkt in een richting loodrecht op de eerste. Het apparaat vermijdt het gebruik van zware zeilen waarbij de aandrijfkracht evenredig is met het zeiloppervlak. " Wat is het verschil tussen Cousteau's turbosail en Flettner's roterende zeil?
In dwarsdoorsnede is een turbosail zoiets als een langwerpige druppel afgerond vanaf het scherpe uiteinde. Aan de zijkanten van de "drop" bevinden zich luchtinlaatroosters, waardoor (afhankelijk van de behoefte om vooruit of achteruit te bewegen) lucht wordt afgezogen. Voor de meest efficiënte aanzuiging van de wind in de luchtinlaat is op het turbozeil een kleine ventilator geïnstalleerd die wordt aangedreven door een elektromotor.
Het verhoogt kunstmatig de snelheid van de luchtbeweging vanaf de lijzijde van het zeil en zuigt de luchtstroom aan op het moment dat het loskomt van het vlak van het turbozeil. Hierdoor ontstaat een vacuüm aan één zijde van de turbosail terwijl de vorming van turbulente wervelingen wordt voorkomen. En dan werkt het Magnus-effect: verdunning aan één kant, als resultaat - een dwarse kracht die het schip in beweging kan brengen. Eigenlijk is een turbosail een verticaal geplaatste vliegtuigvleugel, althans het principe van het creëren van een voortstuwende kracht is vergelijkbaar met het principe van het creëren van een vliegtuiglift. Om ervoor te zorgen dat de turbosail altijd in de meest voordelige richting op de wind wordt gedraaid, is deze uitgerust met speciale sensoren en op een draaitafel gemonteerd. Het patent van Cousteau houdt overigens in dat lucht niet alleen door een ventilator uit de binnenkant van de turbosail kan worden aangezogen, maar bijvoorbeeld ookluchtpomp - zo sloot Cousteau de poort voor volgende "uitvinders".
Eigenlijk testte Cousteau in 1981 voor het eerst een prototype van een turbosail op de catamaran Moulin à Vent. De grootste succesvolle afvaart van de catamaran was een reis van Tanger (Marokko) naar New York onder begeleiding van een groter expeditieschip.
En in april 1985 werd in de haven van La Rochelle de Alcyone, het eerste volwaardige schip uitgerust met turbosails, te water gelaten. Nu is ze nog steeds onderweg en vandaag is ze het vlaggenschip (en in feite het enige grote schip) van de Cousteau-flottielje. De turbozeilen zijn niet de enige beweger, maar ze helpen bij de gebruikelijke koppeling van twee diesels en verschillende propellers (wat overigens het brandstofverbruik met ongeveer een derde kan verminderen). Als de grote oceanograaf nog had geleefd, zou hij waarschijnlijk nog meer soortgelijke schepen hebben gebouwd, maar het enthousiasme van zijn metgezellen na het vertrek van Cousteau nam merkbaar af.
Kort voor zijn dood in 1997 werkte Cousteau actief aan het project van het schip "Calypso II" met een turbosail, maar slaagde er niet in om het te voltooien. Volgens de laatste informatie bevond "Alcyona" zich in de winter van 2011 in de haven van Caen en wachtte op een nieuwe expeditie.
Flettner opnieuw
Tegenwoordig worden er pogingen ondernomen om het idee van Flettner nieuw leven in te blazen en roterende zeilen mainstream te maken. Het beroemde Hamburgse bedrijf Blohm + Voss bijvoorbeeld, begon na de oliecrisis van 1973 met de actieve ontwikkeling van een rotatietanker, maar tegen 1986 dekten economische factoren dit project af. Toen waren er een aantal amateurontwerpen.
In 2007 bouwden studenten van de Universiteit van Flensburg een catamaran aangedreven door een roterend zeil (Uni-cat Flensburg).
In 2010 verscheen het derde schip ooit met roterende zeilen: de zware vrachtwagen E-Ship 1, die werd gebouwd voor Enercon, een van de grootste fabrikanten van windturbines ter wereld. Op 6 juli 2010 werd het schip voor het eerst te water gelaten en maakte het een korte reis van Emden naar Bremerhaven. En in augustus maakte hij zijn eerste werkreis naar Ierland met een lading van negen windturbines. Het vaartuig is uitgerust met vier Flettner-rotoren en natuurlijk een traditioneel voortstuwingssysteem in geval van rust en voor extra vermogen. Toch dienen roterende zeilen alleen als hulpschroeven: voor een vrachtwagen van 130 meter is hun kracht niet voldoende om de juiste snelheid te ontwikkelen. De motoren zijn negen Mitsubishi-energiecentrales en de rotoren worden geroteerd door een Siemens-stoomturbine,gebruikmakend van de energie van de uitlaatgassen. Roterende zeilen besparen 30 tot 40% brandstof bij een snelheid van 16 knopen.
Maar de turbosail van Cousteau is nog steeds in de vergetelheid: Alcyone is momenteel het enige grote schip met dit type voortstuwing. De ervaring van Duitse scheepsbouwers zal uitwijzen of het zin heeft om het thema zeilen die werken op het Magnus-effect verder te ontwikkelen. Het belangrijkste is om hiervoor een economische rechtvaardiging te vinden en de effectiviteit ervan te bewijzen. En daar, ziet u, zal de hele wereldvaart overgaan op het principe dat een getalenteerde Duitse wetenschapper meer dan 150 jaar geleden beschreef.
In de Noordzee in 2010 kon je het vreemde schip "E-Ship 1" zien. Op het bovendek bevinden zich vier hoge ronde schoorstenen, maar er komt nooit rook uit. Dit zijn de zogenaamde Flettner-rotoren, die traditionele zeilen hebben vervangen.
'S Werelds grootste fabrikant van windturbines Enercon lanceerde op 2 augustus 2010 op de Lindenau-scheepswerf in Kiel een 22 meter breed 130 meter lang roterend schip, dat later de E-Ship 1 werd genoemd. Daarna werd het met succes getest in de Noord- en Middellandse Zee en vervoert het momenteel windgeneratoren vanuit Duitsland, waar ze worden geproduceerd, naar andere Europese landen. Het ontwikkelt een snelheid van 17 knopen (32 km / u), vervoert tegelijkertijd meer dan 9 duizend ton vracht, de bemanning is 15 mensen.
De in Singapore gevestigde rederij Wind Again, een brandstof- en emissiereductietechnologie, biedt speciaal ontworpen Flettner-rotoren (opvouwbaar) voor tankers en vrachtschepen. Ze verminderen het brandstofverbruik met 30-40% en zullen zich binnen 3-5 jaar terugverdienen.
Het Finse waterbouwbedrijf Wartsila is al van plan om zijn turbosails aan te passen op cruiseveerboten. Dit komt door de wens van de Finse ferrymaatschappij Viking Line om het brandstofverbruik en de milieuvervuiling te verminderen.
Het gebruik van Flettner-rotoren op pleziervaartuigen wordt bestudeerd door de Universiteit van Flensburg (Duitsland). Stijgende olieprijzen en alarmerende klimaatopwarming lijken gunstige voorwaarden voor de terugkeer van windturbines.
Het jacht ontworpen door John Marples "Cloudia" is een herbouwde trimaran Searunner 34. Het jacht werd voor het eerst getest in februari 2008 in Fort Pierce, Florida, VS, en de creatie ervan werd gefinancierd door Discovery Channel. "Claudia" bleek ongelooflijk wendbaar te zijn: ze stopte en zette binnen enkele seconden de achteruit aan, bewoog zich vrijelijk onder een hoek van ongeveer 15 ° met de wind. Een merkbare verbetering van de prestaties ten opzichte van de traditionele Flettner-rotor is te danken aan extra dwarsschijven die op de voorste en achterste trimaran-rotoren zijn gemonteerd.
