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Stabil bleiben in eisigen Gewässern

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Da Meereis schmilzt und Schiffe tiefer in die Polargebiete vordringen, sind schnelle Fortschritte bei den Stabilisierungstechnologien erforderlich

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Wenn National Geographic's Endurance 2020 tiefer in die arktischen Gewässer Russlands vordringt als jedes andere Kreuzfahrtschiff auf seiner Jungfernfahrt, wird es mit Eisklasse-Technologie ausgestattet sein, einschließlich einer ganzen Reihe von Stabilisatoren, die in Kombination mit Ulsteins X-Bow das Gieren und Rollen verhindern.

Das Schiff wird nur eines von zwei High-End-Kreuzfahrtschiffen sein, um die Route in Angriff zu nehmen - aber weitere werden folgen.

Während mehr Eis schmilzt, regt die allmähliche Öffnung der Nordseeroute (NSR) die Nachfrage nach robuster Technologie an, die den extremen Temperaturen, den unvermeidlichen Begegnungen mit Eis und dem langsamen Dämpfen standhält.

LNG-Tanker, Containerschiffe, Stückgutfrachter und Kreuzfahrtschiffe unternehmen Reisen in diese und ähnliche Gewässer, die lange Zeit für alles andere als speziell ausgestattete Marineschiffe als außerhalb der Grenzen galten; die meisten von ihnen U-Boote, die unter dem Packeis geistern.

Unter anderem hat der chinesische Schifffahrtsriese Cosco laut einer Studie von Ecory im Auftrag des Internationalen Transportforums der OECD Mitte 2019 fünf weitgehend explorative Transite der NSR abgeschlossen. Das erste Cosco-Schiff, das die Route erprobte, Tian En, transportierte Ende 2018 eine Ladung Windkraftanlagen auf einer teilweise anspruchsvollen Reise. "Nach all den Eiszonen und Stürmen haben wir es geschafft", sagte der Schiffsführer Chen Xiangwu Reportern. Die Arktisroute hat etwa ein Drittel der Suez-Route abgehackt und 300 Tonnen Treibstoff eingespart.

Wenige Tage später lief das Containerschiff Venta Maersk, einer der neuen baltischen Feeder der Maersk Line, nach einer Probefahrt von Wladiwostok nach Bremerhaven im Hafen von Sankt Petersburg an. Eisbrecher mussten gerufen werden, um das Schiff, eines der größten Schiffe der Eisklasse, durch die Ostsibirische See zu bringen.

Der Reiz der NSR für Frachtschiffe liegt darin, dass sie die Reisezeiten um etwa 40% gegenüber der Südroute, die die Schiffe durch den Suezkanal führt, verkürzt. Nach Schätzungen der OECD-Studie dauert eine Reise von Hamburg nach Yokohama durch den Suezkanal mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 Knoten für die 11.585 Seemeilen 32 Tage. Das entspricht 14 Tagen für die 7.356 Seemeilen der NSR bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 14 Knoten.

Die Mathematik scheint offensichtlich zu sein. Doch die NSR kommt mit eigenen Kosten. In dieser hochsensiblen Umgebung, in der die Aufnahme von Schadstoffen viel länger dauert, werden spezielle Kraftstoffe benötigt, die die scheinbare Einsparung an Betriebskosten reduzieren. Versicherungssätze und andere Kosten können dreimal höher sein, als wenn man den längeren Weg zurücklegt. Und, so die Studie, "die Anfangsinvestitionen in Eisklasse-Schiffe sind 20-30% höher als bei einem Benchmark-Schiff"

Auch die Route kann nicht ganzjährig genutzt werden. Wie die Studie erklärt: "Die jährlichen Schwankungen des Meereises sind relativ unvorhersehbar. Eismassive[eigentlich Berge] können bestimmte Routen blockieren. Und extreme Wetterbedingungen wie Nebel und extrem niedrige Temperaturen[sind wahrscheinlich]." Darüber hinaus variiert der Tiefgang in bestimmten Bereichen wie Dmitrij Laptew erheblich, wo er bis zu 6,7 m tief werden kann, was ihn für größere Schiffe ungeeignet macht.

Angesichts der Einschränkungen prognostiziert niemand, dass die NSR vor der Mitte des Jahrhunderts mit dem Suezkanal konkurrieren wird, wenn überhaupt. Aber wenn das Eis der letzten Jahrhunderte nicht zurückkehrt, wird die Passage sicherlich belebter werden, was die Nachfrage nach Stabilisatoren und anderen Geräten der Eisklasse ankurbeln wird. "Wir erwarten eine steigende Zahl von Transiten und lokalen Seereisen im NSR-Raum, mit relativ kleinen Schiffen für Nischenmärkte", heißt es in der Studie.

Aber eisdicke Routen wie die NSR werden weiterhin das Interesse an Expeditionsreisen wecken. Wenn Ocean Victory, das neueste Schiff der Infinity- Klasse von Sunstone Ships, im März 2021 vom Hersteller China Merchant Heavy Industries geliefert wird, wird eine der wichtigsten Technologien die neueste Version der Stillstandsstabilisatoren von Rolls-Royce sein. Die Stabilisatoren wurden für den Einsatz unter Bedingungen der Eisklasse 1A entwickelt und bewähren sich auf einer Vielzahl von Schiffen, die in der Arktis und Antarktis eingesetzt werden, wie z.B. der Sea Spirit der Poseidon Exhibition, der Mitte 1919 für Kreuzfahrten in der grönländischen und der Barentssee mit Stillstandsversionen nachgerüstet wurde.

Stabilisatoren sind obligatorisch für die Zeiten, in denen ein Schiff verlangsamt, festgemacht oder verankert ist, unter den landschaftlichen Bedingungen, für die die Gäste bezahlen, sowie aus Umweltgründen. Bei niedrigen oder niedrigen Geschwindigkeiten werden Kraftstoffverbrauch und Emissionen drastisch reduziert, aber der Hauptgrund ist der Zweck, für den die Technologie ursprünglich bestimmt war, nämlich die Stabilität.

Den Sprung wagen

Deshalb wagte die Royal Australian Navy Anfang 2019 den Sprung zu einem innovativen Quantum-Stabilisator für ihre neuen Offshore-Patrouillenschiffe, die von Luerssen gebaut werden. Patrouillenschiffe müssen langsam und ohne Geschwindigkeit arbeiten, z.B. wenn sie an die Seite kommen.

Seit seiner Gründung im Jahr 1985 hat das in Fort Lauderdale ansässige Unternehmen Quantum einen linken Ansatz für die Stabilisierungsfunktion gewählt. Vor einigen Jahren wurden die Schiffbauingenieure, Schiffbauingenieure von Quantum und die Hydrauliktechnik von Quantum an einem Motion-Control-System eingesetzt, das bei niedrigen Geschwindigkeiten arbeitete: effektiv ein Stabilisator für das Herumlungern und den Stillstand. Das Ergebnis war MAGLift; nicht die traditionelle Finne, sondern ein Rotorstabilisator, der die Zylinder in die gewünschte Richtung schwenkt und dreht.

MAGLift, ein Hit auf dem Militär-, Geschäfts- und Privatyachtmarkt, wurde auch auf dem 72 m Venture der National Geographic und mehreren anderen Schiffen ähnlicher Größe installiert. Die allgemeine Konfiguration war für eine Reihe von Lamellen nach vorne, wobei die Rotoren hinten montiert waren. "Dies bietet hervorragende Stabilität für Null-, Langsam- und Hochgeschwindigkeitsanforderungen", sagte Katie Ross, Business Development Managerin.

Für die Bedingungen der Eisklasse kann der MAGLift eingefahren oder eingesteckt werden. Die Rotoren sind ebenfalls strategisch unter dem Eisband platziert.

Die neueste Entwicklung von Quantum, Dyna-Foil, ist ein Zweizweck-Design, das auf einer Folienform basiert, von der behauptet wird, dass sie bei Nullgeschwindigkeiten und unterwegs gleichermaßen gut funktioniert. Dyna-Foil ist wie MAGLift vollständig einziehbar und wurde unter Berücksichtigung extremer Eisklassebedingungen entwickelt. Wie das Unternehmen erklärt, sind dies Bedingungen, bei denen "der Stabilisator erforderlich ist, aber vollständig verstaut werden muss, um mögliche Schäden durch den Kontakt mit Eis zu vermeiden" Für Schiffe der Eisklasse oder solche mit hohem Blockkoeffizienten, bei denen außen angebrachte Anhänge nicht geeignet wären, wird das System daher mit einer "voll eingesteckten" Version geliefert.

Dyna-Foil erzeugt seine eigenen Kräfte durch die schwingende Wirkung der Einheit. "Diese Aktion erzeugt einen Wasserfluss über die Oberfläche der Folie und erzeugt so Auftrieb", erklärt das Unternehmen. "Die Schwingungsrichtung bestimmt die Richtung der erzeugten Auftriebskraft. Sowohl der Anstellwinkel als auch die Schwunggeschwindigkeit sind Regelgrößen, die so eingestellt werden, dass eine optimale Stabilisierung erreicht wird."

Viel Forschung wurde auf das Profil der Folie selbst verwendet. Es wurde so geformt, dass es bei niedrigen Anstellwinkeln den größtmöglichen Auftrieb bietet, was zu einer Verringerung des Luftwiderstands führt. Die Positionierung der Folie gegen die Rollbewegung des Schiffes erfolgt nahezu verzögerungsfrei. Während der Fahrt des Schiffes wird die Folie um 90 Grad zur Mittellinie des Rumpfes geneigt.

Quantum behauptet, dass das System der traditionellen Finnentechnologie überlegen ist (obwohl diese in den letzten Jahren stark weiterentwickelt wurde): "Das vom Dyna-Foil erzeugte Stabilisierungsmoment ist bis zu 150% größer als das von einer Standard-Festlamelle bei gleichbleibender Geschwindigkeit." Das Herzstück des Systems ist die algorithmisch gesteuerte Einheit der 5000er Serie, die, so Quantum, schließlich in alle Designs integriert werden soll. Für seine Dyna-Folie hat Quantum eine kompakte Hydraulikeinheit entwickelt, die auf Energiespeichern und variabler Motorsteuerung basiert; ein System, das die gesamte Energieversorgung des Schiffes weniger belastet.

Achtung auf Aktivatoren

Inzwischen erfährt das Aktivierungssystem auf Stabilisatoren - im Grunde genommen der Motor - große Aufmerksamkeit. Für die einziehbaren Stabilisatoren Aquarius 100 könnte Rolls-Royce eher auf Elektromotoren als auf Hydraulikeinheiten umsteigen. Als Verkaufsleiter für Rolls-Royce Dunfermline sagte Paul Crawford Marine Propulsion Anfang des Jahres: "Es gibt weniger Wartungsaufwand und weniger Ausrüstung. Ich sehe, dass dies in Zukunft vor allem in Fähren verwendet wird, da viele davon elektrisch werden."

Obwohl es sich nicht um eine Fähre der Eisklasse handelt, wurde der 110 gt-Niederländische Schlepper Astra mit einem elektrisch angetriebenen MagnusMaster-System auf Basis schnell drehender Zylinder nachgerüstet. (Der Name leitet sich von dem Magnus-Effekt ab, der zunächst vom deutschen Physiker Heinrich Magnus untersucht wurde.) MagnusMaster ist für Schiffe bis zu einer Länge von 30 m geeignet und wurde auf einer Vielzahl von Schiffen, einschließlich Trawlern, installiert. Nützlich für Arbeitspferdeschiffe, wenn der Motor in Leerlaufstellung gebracht wird, ziehen sich die Rotoren sofort zurück.

Laut MagnusMaster: "Der größte Vorteil eines Rotorsystems im Vergleich zu einem finnengetriebenen konventionellen System ist die größere Rolldämpfung bei niedrigeren Geschwindigkeiten."

In naher Zukunft könnten die Hersteller von Stabilisatoren aufgrund der verstärkten militärischen Aktivitäten in den Polarregionen, insbesondere in der Arktis, Aufträge von internationalen Marinen erhalten. Nach einer langen Abwesenheit der NATO-Streitkräfte besteht Druck, die Patrouillen als Reaktion auf die wachsende Präsenz der russischen Marine wieder aufzunehmen.

Und da der Westen auf die russische Bedrohung reagiert und wahrscheinlich mehr Marineoperationen im Nordatlantik stattfinden werden, sind die Auswirkungen auf Eisklassentechnologien wie Stabilisatoren vielversprechend.

- Der Stabilisator, der nicht nass wird

Im Gegensatz zu den meisten anderen Systemen ist der marine Kreiselstabilisator von Veem aus Perth, Australien, im Inneren des Rumpfes verschraubt und nicht außerhalb. Ohne Anhängsel kommt der Kreiselstabilisator überhaupt nicht mit dem Wasser in Berührung (außer, dass er durch Meerwasser gekühlt wird). Dennoch können "Rollbewegungen bei allen Geschwindigkeiten, einschließlich Null, praktisch eliminiert werden", sagt Veems Produktmanager Paul Steinmann.

Der Kreiselstabilisator ist nicht für Kreuzfahrtschiffe ausgelegt, sondern für kleinere und flinkere Schiffe zwischen 65 und 3.000 und mehr Tonnen wie Schlepper, Sportfischerboote, Patrouillenboote und Offshore-Unterstützungsschiffe. Die Technologie gilt als besonders geeignet für Begehungssituationen. Und, fügt Veem hinzu, die Effizienz der Technologie ist so groß, dass sie eine Reihe von Überschriften eröffnet, weil sie bedeutet, dass das Schiff besser mit der Einteilung von Meeren umgehen kann.

Die Funktionsweise basiert auf einem rotierenden Schwungrad. Wenn der Behälter rollt, wird das Schwungrad in der Achse der Bewegung des Behälters gedreht. Das Ergebnis wird als "Präzessionsbewegung" (nicht Präzision) bezeichnet, die in Kombination mit dem rotierenden Schwungrad das so genannte "Stabilisierungsmoment" erzeugt. Kurz gesagt, das Gefäß hört auf, herumzuspringen.

Und im Gegensatz zu Standard-Rumpfstabilisatoren können Gyrostabilisatoren fast überall installiert werden - abseits der Kiellinie, hoch oder niedrig, vorwärts oder rückwärts, je nach Trimmung des Schiffes. Das System wird auch in Kombination mit anderen Stabilisatoren, wie z.B. Gerinnetanks und Lamellen, funktionieren.

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