Jahrhundertelang übertrafen Frachtschiffe alle anderen Beförderungsmittel an Schnelligkeit, Kapazität und Effizienz. In der Antike florierte der Welthandel dank seefahrender Völker, und der griechische Historiker Thukydides (um 460 bis nach 400 vor Christus) postulierte, daß der Herr über die Meere auch die Welt beherrsche (allerdings war ihm selbst zur See wenig Glück beschieden: Weil er als Flottenkommandant im Peloponnesischen Krieg eine schwere Niederlage hinnehmen mußte, wurde er aus seiner Heimatstadt Athen verbannt).

Diese Regel hatte mehr als 2000 Jahre lang Bestand; erst in jüngerer Zeit haben Transportmittel zu Lande und in der Luft dem Schiff seine führende Rolle streitig gemacht. Doch auch in unserer schnellebigen Zeit liegt der interkontinentale Handel vor allem in den Händen von Reedereien. Dafür gibt es gute Gründe: Die im Überseeverkehr konkurrierende Luftfracht ist etwa zehnmal so teuer wie der Transport zur See und benötigt aufgrund der langwierigen Be- und Entladung zwischen Europa und den USA selten weniger als drei bis sechs Tage. Ohnehin könnte mit heute verfügbaren Flugzeugen nur ein verschwindend geringer Teil des weltweiten Frachtaufkommens befördert werden. Eine Ausweitung des Lufttransports hätte aber vermutlich weitreichende Folgen für das Ökosystem der Erde, denn die beim Interkontinentalverkehr meist in großen Höhen fliegenden Maschinen emittieren Stickoxide und beeinflussen so die chemischen Prozesse in diesen Atmosphäreschichten.

Für den Verbraucher ist die Situation unbefriedigend, denn Frachtschiffe sind auch heutzutage kaum schneller als ein Langstreckenläufer, und verderbliche oder termingebundene Waren verbringen zuviel Zeit auf See. Es gibt also einen Bedarf an schnelleren Containerschiffen.





Physikalische Grenzen




Das Meer stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion von Wasserfahrzeugen. Schon eine leichte Brise erzeugt Wellen, die sich mit zunehmender Entfernung vom Entstehungsort zu rollenden Wogen entwickeln können – manche werden fast drei Stockwerke hoch, knapp 200 Meter lang und schneller als ein galoppierendes Pferd. Wellen, wie sie im viel befahrenen Nordatlantik nahezu während des gesamten Winterhalbjahres vorherrschen, vermögen ein mit voller Kraft fahrendes Containerschiff um 20 bis 30 Prozent abzubremsen.

Doch auch ruhige See verbraucht Leistung. Bei geringen Geschwindigkeiten dominiert beim Gesamtwiderstand die Reibung zwischen Schiff und Wasser, bei hohen der sogenannte Wellenwiderstand. Dieser entsteht, weil jedes Schiff ein typisches Wellensystem erzeugt, das sich V-förmig nach achtern ausbreitet; die darin enthaltene Energie muß unablässig neu aufgebracht werden. Dieser bremsende Effekt wächst mit der Geschwindigkeit schneller als derjenige der Reibung. Langsam fahrende Schiffe, zum Beispiel Tanker, baut man deshalb kurz und gedrungen, reduziert also ihre reibungserzeugende Oberfläche, für schnelle benötigt man gute Kenntnisse der Hydrodynamik und Antriebstechnik.

Schon im neunzehnten Jahrhundert beschrieb der britische Schiffsbauer William Froude (1810 bis 1879) die wesentlichen Gesetze des Wellenwiderstandes. Ihm zu Ehren benutzen Schiffbauer als Kenngröße der relativen Geschwindigkeit eines Schiffes die Froude-Zahl: das Verhältnis der Geschwindigkeit zur Wurzel aus dem Produkt von Schiffslänge und Erdbeschleunigung (letztere macht die Zahl dimensionslos). Diese Größe erlaubt den Vergleich von Schiffen unterschiedlicher Abmessungen. Bei geometrischer Ähnlichkeit und auch gleicher Froude-Zahl ist der sogenannte Widerstandsbeiwert gleich (eine durch Multiplikation mit weiteren Größen wie der Wasserdichte und der benetzten Oberfläche dimensionslos gemachte Kennzahl für den Wellenwiderstand). Also kann man diese Größe an maßstäblich verkleinerten Modellen mit geringerem Aufwand bestimmen und diese Erkenntnisse auf große Schiffe übertragen.

Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die vom Schiff erzeugte Welle immer länger (Bild 1). Bei einer Froude-Zahl von etwa 0,4 ist sie ungefähr so lang wie das Schiff, und es muß ständig den von ihm selbst erzeugten Wellenberg hinauffahren. Der Wellenwiderstand ist dann so groß, daß ihn nur die wenigsten Fahrzeuge überwinden können.

Doch schon vor Jahrhunderten entdeckte das Seefahrervolk der Wikinger eine Lösung. Ihre Langboote erzeugten kleinere Wellen und fuhren bei gleichem Rumpfvolumen und gleicher Segelfläche schneller als kürzere, breitere Schiffe (Spektrum der Wissenschaft, Juli 1998, Seite 88). Bis heute gilt für Schiffbauer die Grundregel: Länge läuft. Allerdings sind nicht nur Aspekte der Hydrodynamik beim Entwurf neuer Konstruktionen zu beachten. Das Schiff muß auch ausreichend kentersicher sein, darf nicht auseinanderbrechen und muß Platz für Antriebsanlage und Ladung bieten.

Doch auch wenn es gelingt, all dies mit schmalen und langen Rümpfen zu erzielen, stößt man auf ein weiteres Problem: Mit konventionellen Propellern – umgangssprachlich auch Schiffsschrauben genannt – läßt sich nur begrenzt Leistung vom Motor auf das Was-ser übertragen. Wie beim Flugzeug entsteht hier der vorwärtstreibende Schub durch Druckunterschiede zwischen Propelleraußen- und -innenseite; die wiederum werden hervorgerufen durch die formbedingten unterschiedlichen Weglängen des Wassers entlang der Flügel.

Um die Geschwindigkeit zu steigern, muß der Schub – also der Druckunterschied – erhöht werden, beispielsweise durch eine höhere Drehzahl. Das erzeugt schließlich ein als Kavitation bezeichnetes Phänomen (Bild 5): Der Druck auf der Innenseite sinkt dabei unter den Dampfdruck des Wassers, und es entstehen Blasen. Vereinfacht gesagt, wird nun Motorleistung zum Wasserkochen verwendet. Kavita-tion fördert aber auch den Materialverschleiß. Die Bläschen entstehen am oberen Ende des Flügels, der in Zwölf-Uhr-Stellung steht, weil dort der hydrostatische Druck des umgebenden Wassers am geringsten ist, und implodieren nach einer halben Umdrehung, wenn der hydrostatische Druck wieder über dem Dampfdruck liegt. Die Implosion schlägt kleine Krater in die Propelleroberfläche, wodurch sich der Effekt noch verstärkt, denn die Dampfbläschen bilden sich bevorzugt an Rauhigkeiten.

Man kann die Kavitation reduzieren, indem man statt der Drehzahl die Propeller vergrößert, doch besteht dann die Gefahr, daß sie bei zu geringem Tiefgang im Hafen oder an Engstellen den Grund berühren und Schaden nehmen. Mit dieser Antriebsart fährt man deshalb selten über einen längeren Zeitraum hinweg mehr als 30 bis 35 Knoten (Seemeilen pro Stunde; eine Seemeile sind 1,852 Kilometer).





Neue Konzepte




Flugzeugkonstrukteure kämpften in den fünfziger Jahren mit ähnlichen Problemen: Bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit steigt der Luftwiderstand drastisch an, und die Effizienz von Propellern fällt ab. Die Lösung des Problems waren neue Flügelformen sowie Düsentriebwerke. Diese Strahlantriebe erzeugen Schub durch Beschleunigen zuvor angesaugter Luft. Dazu wird ihr in einer Brennkammer Kraftstoff beigefügt und das Gemisch gezündet; die Verbrennungsgase treten mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse aus, der auf das Flugzeug übertragene Rückstoß treibt es voran. Weil der Strahlantrieb eine geringere Luftdichte benötigt als die Verbrennung in Kolbenmotoren, wie man sie zum Antrieb von Propellern nutzt, wurde Fliegen in größeren Höhen bei geringerem Luftwiderstand möglich.

In der modernen Schiffahrtstechnik gibt es vergleichbare Systeme, nämlich Gasturbinen und Wasserstrahlantriebe als Alternativen zu Dieselmotoren beziehungsweise Propellern; sie lassen sich beliebig mit herkömmlicher Technik und miteinander kombinieren. Diese Innovationen werden bereits in vielen kleinen Passagier- und Autofähren eingesetzt, so daß man an eine Übertragung auf größere Schiffe gehen kann. Firmen wie General Electric und Rolls-Royce konstruieren für Flugzeuge und Kraftwerke konzipierte Gasturbinen um, so daß sie der Korrosion durch die salzhaltige Seeluft standhalten; für die Marine entwickelte Turbinen sucht man robuster und vor allem preiswerter zu bauen. Die neuesten Modelle liefern bei gleichem Gewicht, Volumen und Kraftstoffverbrauch weitaus höhere Leistungen als Schiffsdiesel und emittieren pro Kilowatt nur vier Prozent soviel Schwefel- und fünf Prozent der Stickoxide.

Der Wasserstrahlantrieb kehrt das Prinzip der Wasserkraftturbine um: Statt Energie aus strömendem Wasser zu gewinnen, wendet er Energie auf, um über Turbinenschaufeln einen vorwärtstreibenden Strahl zu erzeugen. Bis zu Geschwindigkeiten von etwa 45 Knoten läßt sich damit Kavitation vermeiden, denn das durch Öffnungen im Schiffsboden angesaugte Wasser wird in eine aufgeweitete Kammer geführt, bevor es die Schaufeln trifft. Weil dadurch nach dem von dem Schweizer Physiker Daniel Bernoulli (1700 bis 1782) gefundenen Gesetz die Strömungsgeschwindigkeit absinkt, der Druck hingegen steigt, ist die Gefahr von Kavitation geringer. In der Praxis weitet man aus Kostengründen nicht so stark auf wie möglich und akzeptiert insbesondere im militärischen Bereich ein gewisses Maß an Kavitation und Verschleiß. Schließlich übertrifft der Wirkungsgrad dieser Antriebe gerade bei hohen Geschwindigkeiten den von Propellern.





Neue Schiffsformen




Ein leistungsfähigerer Antrieb ist jedoch wenig sinnvoll, wenn er das Schiff schwerer macht, also tiefer ins Wasser drückt und damit den Widerstand erhöht. Ingenieure arbeiten an Rumpfkonstruktionen, die einerseits ausreichend niedrigen Widerstand haben, um hohe Geschwindigkeiten auch wirtschaftlich zu machen (Bild 3), andererseits ausreichend nutzbares Volumen übriglassen. Ein fast nur von Antrieb und Tanks ausgefülltes Fahrzeug wäre unsinnig.

Einige Forscher setzen dabei auf große Katamarane, also Schiffe aus zwei schmalen Rümpfen, die durch den Deckaufbau miteinander verbunden sind. Jeder Rumpf erzeugt ein eigenes Wellensystem, beide können interferieren und einander teilweise auslöschen, so daß sich im Extremfall die Hälfte der sonst vergeudeten Leistung sparen ließe (siehe "Das Überschallschiff" auf Seite 98). Kleinere haben sich als Fähren in relativ ruhigen Gewässern bewährt und arbeiten mit Froude-Zahlen um 0,8 (typische Containerschiffe erreichen gerade 0,2 bis 0,25). Zwar sind Katamarane sehr kentersicher, doch die Bruchfestigkeit und das Verhalten bei hohem Wellengang sind problematischer als bei den meisten Einrumpfschiffen, die Verwendbarkeit für den Transport schwerer Lasten somit noch ungeklärt.

Konventioneller und einfacher ist es, schlanke Einrumpfschiffe zu vergrößern. In ruhigem Wasser würden sie äußerst günstige Widerstandsbeiwerte und Leistungen erzielen. Sie wären jedoch nur begrenzt tragfähig und stabil; insbesondere beim Transport hoher Containerstapel durch rauhe See könnten sie übermäßig schlingern und gieren. Zum Durchpflügen neun Meter hoher Wellen benötigten diese Schiffe mehr Leistung, als mit Propellern zu erzielen ist. Andererseits wären sie noch zu langsam, als daß ein Wasserstrahlantrieb seine Vorzüge entfalten könnte.

Ein drittes Konzept ist das halbgleitende Einfachrumpfschiff. Unser Unternehmen hat dazu das "FastShip" entwickelt; es wurde bei kleineren Fracht- und Passagierschiffen sowie im Wassertank erfolgreich getestet. Charakteristisch ist ein tiefer, V-förmiger Bug, der die Wellen durchschneidet, und ein breites, flaches Heck mit einem leicht konkaven Profil unter Wasser (Bilder 1 und 5). Die Form erhöht den Druck unter dem Rumpf im Bereich des Wassereinlasses, was die Kavitationsgefahr verringert, also höhere Drehzahlen erlaubt. Ab einer Froude-Zahl von etwa 0,3 erzeugt diese Rumpfform zudem einen Wellenberg am Heck, der dem Anstieg des Wasserwiderstandes entgegenwirkt, zudem weite Teile des Hinterschiffs eintauchen läßt und so die Stabilität erhöht. Theoretisch sollten FastShips in der Lage sein, bis zu Froude-Zahlen von mehr als 0,6 ungestört zu fahren; in der Praxis liegt der Wert wohl bei etwa 0,5, was bei 230 Meter Länge rund 45 Knoten entspricht.

Die Reederei FastShip Atlantic hofft, im Jahr 2000 den Betrieb zwischen Europa und Philadelphia an der Ostküste der USA aufnehmen zu können. In Zusammenarbeit mit der Fakultät für Schiffbau und Meerestechnik des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge wird die Leistungsfähigkeit solcher Frachtschiffe geprüft. Computersimulationen haben sehr gutes Seeverhalten vorausgesagt.





Die Boeing 707 der Meere




Mit der Einführung des Düsenantriebs in die Zivilluftfahrt wurden drei Ziele zugleich erreicht: höhere Geschwindigkeit, höherer Wirkungsgrad und größere Wetterunabhängigkeit (denn man konnte Schlechtwettergebiete überfliegen). Ich bin so frei, mein Konzept für eine Errungenschaft vergleichbarer Bedeutung zu halten: Das FastShip ist die Boeing 707 der Meere. Starke Winde und hohe Wellen bremsen ein herkömmliches Containerschiff von 23 auf etwa 17 Knoten ab und verlängern die Reisezeit über den Atlantik um durchschnittlich zwei Tage. Unter vergleichbaren Bedingungen wird ein schlanker Einrumpf von 33 auf etwa 29 Knoten verlangsamt und verspätet sich um einen halben Tag. Ein mit ungefähr 40 Knoten reisendes FastShip hingegen verliert selbst bei schwerer See kaum an Fahrt. Die geschätzte Verlangsamung um zwei Prozent entspricht einer Verspätung von nicht mehr als zwei Stunden (Bild 4).

Die gegenüber den herkömmlichen Schiffen verdoppelte Geschwindigkeit ist allerdings nur mit weitaus stärkeren – und teureren – Maschinen zu erreichen. Doch sollte dies nicht abschrecken, wie ein Vergleich mit der Entwicklung der Düsenflugzeuge zeigt: Trotz des damals höheren Flugpreises wurden sie ausgiebig genutzt, denn diese Verkehrsmittel waren schneller, zuverlässiger und bequemer, und sie flogen häufiger als Turboprop-Maschinen. Die zusätzlichen Investitionen hatten sich bald amortisiert, der technische Fortschritt verminderte die Kosten des Zusatzaufwands, und die Flugpreise sanken sogar noch unter die der langsameren Konkurrenz. Eine ähnliche Entwicklung erwarten wir auch für das FastShip.

Im Wettbewerb mit anderen Schiffstypen dürfte auch die mögliche, hocheffiziente Be- und Entladung durch Schienenfahrzeuge wichtig werden (Bild 6), denn sie ermöglicht einen eng verzahnten kombinierten Transport, verkürzt die Liegezeiten und erhöht somit die Ausnutzung der Schiffe. Zudem sollen FastShips nur einen Hafen pro Fahrt anlaufen, um Verzögerungen in Zwischenhäfen zu vermeiden. (Das könnte allerdings ihre Rentabilität mindern, denn das Umladen von Containern auf ein Zubringerschiff oder ihr Weitertransport auf dem Landweg ist teuer. Die Redaktion.)

Während Fracht zwischen Europa und Nordamerika derzeit 14 bis 35 Tage unterwegs ist, könnte sie künftig innerhalb einer Woche am Ziel sein. Ein gut abgestimmtes Transportsystem würde nicht nur die Beförderungskosten von Sender zu Empfänger weiter drücken, sondern auch eine Lieferung Just-in-time – also nur entsprechend aktueller Nachfrage – ermöglichen, so daß Lagerkapazitäten im Handel abgebaut werden könnten. Die Vorteile der neuen Schiffstypen für den weltweiten Austausch von Wirtschaftsgütern werden ähnlich bahnbrechend sein wie die vor 50 Jahren im Flugzeugbau erzielten Fortschritte. Vielleicht erlangt die Seefahrt im Welthandel wieder ihre einstmalige Bedeutung.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1998, Seite 84
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