La famosa serie di documentari The Cousteau Team's Underwater Odyssey è stata girata dal grande oceanografo francese negli anni '60 -'70. La nave principale di Cousteau fu poi convertita dal dragamine britannico "Calypso". Ma in uno dei film successivi - "Riscoperta del mondo" - apparve un'altra nave, lo yacht "Alcyone".
Guardandolo molti spettatori si sono posti la domanda: cosa sono questi strani tubi installati sullo yacht?.. Forse sono tubi di caldaie o sistemi di propulsione?
Immagina il tuo stupore se scopri che queste sono VELE … turbosails …
Il fondo Cousteau ha acquisito lo yacht "Alkion" nel 1985, e questa nave era considerata non tanto come una nave da ricerca, ma come una base per lo studio dell'efficienza delle turboeliche, l'originale sistema di propulsione della nave. E quando, 11 anni dopo, la leggendaria "Calypso" affondò, "Alcyona" prese il suo posto come nave principale della spedizione (a proposito, oggi "Calypso" viene sollevata ed è in stato di semi-depredazione nel porto di Concarneau).
In realtà, il turbosail è stato inventato da Cousteau. Oltre all'attrezzatura subacquea, un piattino subacqueo e molti altri dispositivi per esplorare le profondità del mare e la superficie degli oceani. L'idea è nata nei primi anni '80 ed era quella di creare il sistema di propulsione più ecologico, ma allo stesso tempo comodo e moderno per un uccello acquatico. L'uso dell'energia eolica sembrava essere l'area di ricerca più promettente. Ma ecco la sfortuna: l'umanità ha inventato una vela diverse migliaia di anni fa, e cosa potrebbe essere più semplice e più logico?
Naturalmente, Cousteau e la sua compagnia capirono che era impossibile costruire una nave alimentata esclusivamente a vela. Più precisamente, forse, ma le sue prestazioni di guida saranno molto mediocri e dipenderanno dai capricci del tempo e dalla direzione del vento. Pertanto, era stato originariamente previsto che la nuova "vela" fosse solo una forza ausiliaria, applicabile per aiutare i motori diesel convenzionali. Allo stesso tempo, una turbosail ridurrebbe notevolmente il consumo di gasolio e in caso di vento forte potrebbe diventare l'unica propulsione della nave. E lo sguardo del team di ricerca si è rivolto al passato - all'invenzione dell'ingegnere tedesco Anton Flettner, il famoso progettista di aerei, che ha dato un contributo significativo alla costruzione navale.
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La vela turbo è un cilindro cavo dotato di una pompa speciale. La pompa crea un vuoto su un lato della turbosail, pompando aria nella vela, l'aria esterna inizia a fluire intorno alla turbosail a velocità diverse e la nave inizia a muoversi in una direzione perpendicolare alla pressione dell'aria. Questo è molto simile alla portanza che agisce sull'ala di un aeroplano: la pressione dal fondo dell'ala è maggiore e l'aereo spinge verso l'alto. La vela turbo consente alla nave di muoversi contro qualsiasi vento, purché la potenza della pompa sia sufficiente. Viene utilizzato come sistema ausiliario per un motore marino convenzionale. Due turboeliche installate sulla nave del team Cousteau "Alkion" hanno permesso di risparmiare fino al 50% di carburante.
Il rotore di Flettner e l'effetto Magnus
Il 16 settembre 1922 Anton Flettner ricevette un brevetto tedesco per la cosiddetta nave rotante. E nell'ottobre 1924, una nave rotante sperimentale Buckau lasciò le scorte della società di costruzioni navali Friedrich Krupp a Kiel. È vero, la goletta non è stata costruita da zero: prima dell'installazione dei rotori di Flettner, era una normale nave a vela.
L'idea di Flettner era quella di utilizzare il cosiddetto effetto Magnus, la cui essenza è la seguente: quando un flusso d'aria (o liquido) scorre attorno a un corpo rotante, si forma una forza che è perpendicolare alla direzione del flusso e agisce sul corpo. Il fatto è che un oggetto rotante crea un movimento vorticoso attorno a se stesso. Sul lato dell'oggetto, dove la direzione del vortice coincide con la direzione del flusso di liquido o gas, la velocità del mezzo aumenta e dal lato opposto diminuisce. La differenza di pressione crea una forza di taglio diretta dal lato in cui il senso di rotazione e il senso del flusso sono opposti, al lato in cui coincidono.
"La nave a vento Flettner è sulla bocca di tutti grazie alla propaganda giornalistica straordinariamente zelante", ha scritto Louis Prandtl nel suo articolo sullo sviluppo di un ingegnere tedesco.
Questo effetto fu scoperto nel 1852 dal fisico berlinese Heinrich Magnus.
Effetto Magnus
L'ingegnere aeronautico e inventore tedesco Anton Flettner (1885-1961) è passato alla storia della navigazione come un uomo che cercava di sostituire le vele. Ha avuto la possibilità di viaggiare a lungo su una nave a vela attraverso gli Oceani Atlantico e Indiano. Molte vele furono fissate sugli alberi dei velieri dell'epoca. L'attrezzatura velica era costosa, complessa e aerodinamicamente poco efficiente. Costanti pericoli erano in agguato per i marinai che, anche durante una tempesta, dovevano navigare a 40-50 metri di altezza.
Durante il viaggio, il giovane ingegnere ebbe l'idea di sostituire le vele, che richiedono uno sforzo maggiore, con un dispositivo più semplice ma efficace, la cui propulsione principale sarebbe stata anche il vento. Riflettendo su questo, ha ricordato gli esperimenti aerodinamici condotti dal suo fisico connazionale Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Hanno scoperto che quando un cilindro ruota in un flusso d'aria, si genera una forza trasversale con una direzione che dipende dalla direzione di rotazione del cilindro (effetto Magnus).
Uno dei suoi esperimenti classici assomigliava a questo: “Un cilindro di ottone potrebbe ruotare tra due punti; la rapida rotazione del cilindro era impartita, come in una sommità, da una corda. Il cilindro rotante era inserito in un telaio che, a sua volta, poteva essere facilmente ruotato. Un forte getto d'aria è stato inviato a questo sistema utilizzando una piccola pompa centrifuga. Il cilindro deviava nella direzione perpendicolare al flusso d'aria e all'asse del cilindro, inoltre, nella direzione da cui i sensi di rotazione e del getto erano gli stessi "(L. Prandtl" Magnus Effect and a Wind Ship ", 1925).
A. Flettner ha subito pensato che le vele potessero essere sostituite da cilindri rotanti installati sulla nave.
Si scopre che dove la superficie del cilindro si muove contro il flusso d'aria, la velocità del vento diminuisce e la pressione aumenta. Dall'altro lato del cilindro, è vero il contrario: la portata d'aria aumenta e la pressione diminuisce. Questa differenza di pressione tra i diversi lati del cilindro è la forza motrice che fa muovere la nave. Questo è il principio di base dell'attrezzatura rotante che utilizza la forza del vento per muovere la nave. Tutto è molto semplice, ma solo A. Flettner "non è passato", sebbene l'effetto Magnus sia noto da più di mezzo secolo.
Ha iniziato ad attuare il piano nel 1923 su un lago vicino a Berlino. In realtà, Flettner ha fatto una cosa piuttosto semplice. Ha installato un rotore cilindrico di carta di circa un metro di altezza e 15 cm di diametro su una barca di prova lunga un metro e ha adattato un meccanismo dell'orologio per ruotarlo. E la barca salpò.
I capitani dei velieri si facevano beffe delle bombole di A. Flettner, con le quali voleva sostituire le vele. L'inventore è riuscito a interessare ricchi mecenati d'arte con la sua invenzione. Nel 1924, invece di tre alberi, sulla goletta di 54 metri "Buckau" furono installati due cilindri del rotore. Questi cilindri erano alimentati da un generatore diesel da 45 CV.
I rotori del Bucau erano azionati da motori elettrici. In realtà, non c'era differenza rispetto agli esperimenti classici di Magnus nel design. Sul lato, dove il rotore ruotava controvento, si creava un'area di maggiore pressione, sul lato opposto, una zona di bassa pressione. La forza risultante è ciò che ha spinto la nave. Inoltre, questa forza era circa 50 volte maggiore della forza della pressione del vento su un rotore fermo!
Questo ha aperto grandi prospettive per Flettner. Tra le altre cose, l'area del rotore e la sua massa erano parecchie volte inferiori all'area dell'attrezzatura a vela, il che avrebbe dato uguale forza motrice. Il rotore era molto più facile da controllare ed era abbastanza economico da produrre. Dall'alto, Flettner ha coperto i rotori con piani a piastra - questo ha aumentato la forza motrice di circa due volte a causa del corretto orientamento dei flussi d'aria rispetto al rotore. L'altezza e il diametro ottimali del rotore per il "Bukau" sono stati calcolati soffiando un modello della futura nave in una galleria del vento.
Cousteau turbosailboat - Per il 2011, Alkiona è l'unica nave al mondo con un Cousteau turbosail. La morte del grande oceanografo nel 1997 pose fine alla costruzione della seconda nave del genere, la Calypso II, e altri costruttori navali temono il design insolito …
Il rotore di Flettner si è rivelato eccellente. A differenza di una normale nave a vela, una nave rotante non aveva praticamente paura del maltempo e dei forti venti laterali, poteva facilmente navigare alternando virate con un angolo di 25º rispetto al vento contrario (per una vela normale il limite è di circa 45º). Due rotori cilindrici (altezza 13,1 m, diametro 1,5 m) hanno permesso di bilanciare perfettamente la nave: si è rivelata più stabile della barca a vela che Bukau era prima della ristrutturazione. I test sono stati eseguiti con calma, tempesta e con deliberato sovraccarico e non sono state identificate gravi carenze. Il più vantaggioso per il movimento della nave era la direzione del vento esattamente perpendicolare all'asse della nave, e la direzione del movimento (avanti o indietro) era determinata dalla direzione di rotazione dei rotori.
A metà febbraio 1925, la goletta Buckau, equipaggiata con i rotori di Flettner al posto delle vele, salpò da Danzica (ora Danzica) alla Scozia. Il tempo era brutto e la maggior parte delle barche a vela non osava lasciare i porti. Nel Mare del Nord, il Buckau ha dovuto affrontare seriamente venti forti e grandi onde, ma la goletta ha sbandato a bordo meno di altre barche a vela incontrate.
Durante questo viaggio, non è stato necessario chiamare i membri dell'equipaggio in coperta per cambiare vele a seconda della forza o della direzione del vento. Bastava un navigatore di guardia che, senza lasciare la timoneria, poteva controllare l'attività dei rotori. In precedenza, l'equipaggio di una goletta a tre alberi era composto da almeno 20 marinai, dopo la sua conversione in una nave rotante, 10 persone erano sufficienti.
Nello stesso anno, il cantiere ha gettato le basi per la seconda nave rotante: la potente nave da carico "Barbara", azionata da tre rotori da 17 metri. Allo stesso tempo, un piccolo motore con una capacità di soli 35 CV era sufficiente per ciascun rotore. (alla massima velocità di rotazione di ogni rotore 160 rpm)! La spinta del rotore era equivalente a quella di un'elica azionata da un'elica accoppiata a un motore diesel convenzionale per navi con una capacità di circa 1000 hp. Tuttavia, la nave aveva anche un motore diesel: oltre ai rotori, metteva in moto un'elica (che rimaneva l'unico dispositivo di propulsione in caso di tempo calmo).
Promettenti esperimenti hanno spinto la compagnia di navigazione Rob. M. Sloman di Amburgo a costruire la nave Barbara nel 1926. È stato pianificato in anticipo per equipaggiare i turbosails - i rotori di Flettner. Su una nave lunga 90 me larga 13 m, sono stati montati tre rotori con un'altezza di circa 17 m.
Barbara trasporta con successo frutta dall'Italia ad Amburgo da tempo, come previsto. Circa il 30-40% del tempo di viaggio, la nave stava navigando a causa della forza del vento. Con un vento di 4-6 punti "Barbara" ha sviluppato una velocità di 13 nodi.
Si prevedeva di testare la nave rotante su viaggi più lunghi nell'Oceano Atlantico.
Ma alla fine degli anni '20, la Grande Depressione colpì. Nel 1929, la compagnia di charter rifiutò di affittare ulteriormente la Barbara e fu venduta. Il nuovo proprietario ha rimosso i rotori e ha convertito la nave secondo lo schema tradizionale. Tuttavia, il rotore era inferiore alle eliche a vite in combinazione con una centrale elettrica diesel convenzionale a causa della sua dipendenza dal vento e di alcune limitazioni di potenza e velocità. Flettner si dedicò a un'esplorazione più promettente e alla fine Baden-Baden affondò durante una tempesta nei Caraibi nel 1931.
E si sono dimenticati delle vele rotanti per molto tempo …
L'inizio delle navi rotanti, a quanto pare, ha avuto un discreto successo, ma non hanno ricevuto sviluppo e sono state dimenticate per molto tempo. Perché? In primo luogo, il "padre" delle navi rotanti A. Flettner si è immerso nella creazione di elicotteri e ha cessato di interessarsi al trasporto marittimo. In secondo luogo, nonostante tutti i loro vantaggi, le navi rotanti sono rimaste navi a vela con i loro svantaggi intrinseci, il principale dei quali è la dipendenza dal vento.
I rotori di Flettner erano di nuovo interessati negli anni '80 del XX secolo, quando gli scienziati iniziarono a proporre varie misure per mitigare il riscaldamento climatico, ridurre l'inquinamento e un uso più razionale del carburante. Uno dei primi a ricordarli fu l'esploratore francese Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Per testare il funzionamento del sistema turbosail e ridurre il consumo di carburante, il catamarano a due alberi "Alcyone" (Alcyone è la figlia del dio dei venti Eolo) è stato trasformato in una nave rotante. Salpò nel 1985, viaggiò in Canada e in America, circondò Capo Horn, aggirò l'Australia e l'Indonesia, il Madagascar e il Sud Africa. Fu trasferito nel Mar Caspio, dove navigò per tre mesi, facendo vari studi. Alcyone utilizza ancora due diversi sistemi di propulsione: due motori diesel e due turboeliche.
Cousteau a vela turbo
Le barche a vela sono state costruite nel corso del XX secolo. Nelle moderne navi di questo tipo, l'armamento a vela viene piegato con l'aiuto di motori elettrici; nuovi materiali consentono di alleggerire notevolmente la struttura. Ma una barca a vela è una barca a vela e l'idea di utilizzare l'energia eolica in un modo radicalmente nuovo è nell'aria sin dai tempi di Flettner. Ed è stata presa dall'instancabile avventuriero ed esploratore Jacques-Yves Cousteau.
Il 23 dicembre 1986, dopo il lancio dell'Alcyone, menzionato all'inizio dell'articolo, Cousteau e i suoi colleghi Lucien Malavar e Bertrand Charier ricevettero il brevetto congiunto n. US4630997 per "un dispositivo che crea forza attraverso l'uso di un liquido o gas in movimento". La descrizione generale è la seguente: “Il dispositivo è posto in un ambiente che si muove in una certa direzione; questo crea una forza che agisce in una direzione perpendicolare alla prima. Il dispositivo evita l'uso di vele massicce in cui la forza motrice è proporzionale alla superficie velica. " Qual è la differenza tra il turbosail di Cousteau e la vela rotante di Flettner?
Nella sezione trasversale, una turbosail è qualcosa come una goccia allungata arrotondata dall'estremità appuntita. Ai lati della “goccia” sono presenti delle griglie di presa d'aria, attraverso una delle quali (a seconda della necessità di spostarsi in avanti o indietro) viene aspirata l'aria. Per la più efficiente aspirazione del vento nella presa d'aria, sulla vela turbo è installato un piccolo ventilatore azionato da un motore elettrico.
Aumenta artificialmente la velocità del movimento dell'aria dal lato sottovento della vela, aspirando la corrente d'aria al momento della sua separazione dal piano della turbo-vela. Questo crea un vuoto su un lato della turbina prevenendo la formazione di vortici turbolenti. E poi l'effetto Magnus agisce: rarefazione da un lato, di conseguenza, una forza trasversale in grado di mettere in movimento la nave. In realtà, una turbosail è un'ala di aereo posizionata verticalmente, almeno il principio di creare una forza propulsiva è simile al principio di creare un ascensore di aereo. Per garantire che la turbosail sia sempre girata al vento nella direzione più vantaggiosa, è dotata di sensori speciali e installata su una piattaforma girevole. A proposito, il brevetto Cousteau implica che l'aria possa essere aspirata dall'interno della turbosail non solo da un ventilatore, ma anche, ad esempio,pompa d'aria - così Cousteau ha chiuso il cancello per i successivi "inventori".
In realtà, per la prima volta, Cousteau ha testato un prototipo di turbosail sul catamarano Moulin à Vent nel 1981. La più grande navigazione di successo del catamarano è stata un viaggio da Tangeri (Marocco) a New York sotto la supervisione di una nave da spedizione più grande.
E nell'aprile del 1985, nel porto di La Rochelle, fu varata l'Alcyone, la prima nave a tutti gli effetti dotata di turboelica. Ora è ancora in movimento e oggi è l'ammiraglia (e, di fatto, l'unica grande nave) della flottiglia Cousteau. Le vele turbo su di esso non sono l'unico dispositivo di propulsione, ma aiutano il solito accoppiamento di due motori diesel e diverse eliche (che, tra l'altro, riduce il consumo di carburante di circa un terzo). Se il grande oceanografo fosse vivo, probabilmente avrebbe costruito molte altre navi simili, ma l'entusiasmo dei suoi soci dopo la partenza di Cousteau si placò notevolmente.
Poco prima della sua morte nel 1997, Cousteau stava attivamente lavorando al progetto della nave "Calypso II" con un turbosail, ma non è riuscito a completarlo. Secondo gli ultimi dati, nell'inverno del 2011 "Alkiona" si trovava nel porto di Caen ed era in attesa di una nuova spedizione.
Ancora Flettner
Oggi si tenta di far rivivere l'idea di Flettner e rendere le vele rotanti mainstream. Ad esempio, la famosa compagnia di Amburgo Blohm + Voss, dopo la crisi petrolifera del 1973, iniziò lo sviluppo attivo di una petroliera rotante, ma nel 1986 i fattori economici coprirono questo progetto. Poi c'erano una serie di progetti amatoriali.
Nel 2007, gli studenti dell'Università di Flensburg hanno costruito un catamarano alimentato da una vela rotante (Uni-cat Flensburg).
Nel 2010 è apparsa la terza nave in assoluto con vele rotanti: il camion pesante E-Ship 1, costruito per Enercon, uno dei maggiori produttori di turbine eoliche al mondo. Il 6 luglio 2010, la nave è stata varata per la prima volta e ha effettuato un breve viaggio da Emden a Bremerhaven. E in agosto è partito per il suo primo viaggio di lavoro in Irlanda con un carico di nove turbine eoliche. La nave è dotata di quattro rotori Flettner e, naturalmente, di un sistema di propulsione tradizionale in caso di calma e per potenza aggiuntiva. Tuttavia, le vele rotanti servono solo come eliche ausiliarie: per un camion di 130 metri, la loro potenza non è sufficiente per sviluppare la velocità corretta. I motori sono nove centrali elettriche Mitsubishi e i rotori sono ruotati da una turbina a vapore Siemens,utilizzando l'energia dei gas di scarico. Le vele rotanti risparmiano dal 30 al 40% di carburante a una velocità di 16 nodi.
Ma il turbosail di Cousteau è ancora nell'oblio: Alcyone è attualmente l'unica nave a grandezza naturale con questo tipo di propulsione. L'esperienza dei costruttori navali tedeschi dimostrerà se ha senso sviluppare ulteriormente il tema delle vele operanti sull'effetto Magnus. La cosa principale è trovare una giustificazione economica per questo e dimostrarne l'efficacia. E lì, vedete, tutto il trasporto marittimo mondiale si sposterà sul principio descritto da un talentuoso scienziato tedesco più di 150 anni fa.
Nel Mare del Nord nel 2010, si poteva vedere la strana nave "E-Ship 1". Sul ponte superiore ci sono quattro alte ciminiere arrotondate, ma da esse non esce mai il fumo. Si tratta dei cosiddetti rotori Flettner, che hanno sostituito le vele tradizionali.
Il 2 agosto 2010, il più grande produttore mondiale di impianti eolici Enercon ha lanciato una nave rotante di 130 metri, larga 22 metri, che è stata successivamente denominata "E-Ship 1" presso il cantiere Lindenau di Kiel. Successivamente è stato testato con successo nel Mare del Nord e nel Mediterraneo e attualmente trasporta generatori eolici dalla Germania, dove vengono prodotti, ad altri paesi europei. Sviluppa una velocità di 17 nodi (32 km / h), trasporta contemporaneamente più di 9mila tonnellate di carico, il suo equipaggio è di 15 persone.
La compagnia di navigazione con sede a Singapore Wind Again, una tecnologia di riduzione del carburante e delle emissioni, offre rotori Flettner (pieghevoli) appositamente progettati per petroliere e navi da carico. Ridurranno il consumo di carburante del 30-40% e si ripagheranno in 3-5 anni.
La società finlandese di ingegneria navale Wartsila sta già pianificando di adattare le sue vele turbo sui traghetti da crociera. Ciò è dovuto al desiderio dell'operatore di traghetti finlandese Viking Line di ridurre il consumo di carburante e l'inquinamento ambientale.
L'università di Flensburg (Germania) sta studiando l'utilizzo dei rotori Flettner sulle imbarcazioni da diporto. L'aumento del prezzo del petrolio e l'allarmante riscaldamento climatico sembrano essere condizioni favorevoli per il ritorno delle turbine eoliche.
Lo yacht progettato da John Marples "Cloudia" è un trimarano ricostruito Searunner 34. Lo yacht è stato testato per la prima volta nel febbraio 2008 a Fort Pierce, Florida, USA, e la sua creazione è stata finanziata dal Discovery Channel. "Claudia" si è dimostrata incredibilmente manovrabile: si è fermata e ha inserito la retromarcia in pochi secondi, muovendosi liberamente con un angolo di circa 15 ° rispetto al vento. Un notevole miglioramento delle prestazioni rispetto al tradizionale rotore Flettner è dovuto ai dischi trasversali aggiuntivi montati sui rotori del trimarano anteriore e posteriore.
