Im Tiefflug in die Zukunft der Mobilität

Ob Dampfschiff oder Eisenbahn, ob Automobil oder Flugzeug: Neue Mobilitätssysteme waren immer dann erfolgreich, wenn sie den Austausch von Waren und Ideen beschleunigten und dadurch Wohlstand schufen. Wer nach der Mobilität der Zukunft fragt, sollte nach Lösungen suchen, die vergleichbare Wirkungen haben können. Im zweiten Teil unserer Serie zum Thema wird mit dem Bodeneffektfahrzeug eine solche Option vorgestellt.

Im Hafen von Kaspijsk in Dagestan am Kaspischen Meer rostet ein merkwürdiges Ding vor sich hin. Man kann es auf den Luftbildern bei Google Earth deutlich ausmachen. Eine weiße Struktur, die auf den ersten Blick einem Flugzeug ähnlich sieht. Aber warum steht das Gerät auf einem Ponton im Wasser, weit entfernt von jeder Startbahn? Weil es kein Flugzeug ist.

Herkömmliche Schiffe verdrängen bei ihrer Fahrt das Wasser und erzeugen dadurch eine Bug- und eine Heckwelle. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit, der sogenannten Rumpfgeschwindigkeit, überlagern sich diese beiden Wellen in ungünstiger Weise. Das Heck befindet sich dann in einem Wellental, der Bug auf einem Wellenberg. Das Schiff fährt sozusagen ständig bergauf. Bei weiterer Beschleunigung verstärkt sich dieser Effekt. Die Rumpfgeschwindigkeit stellt daher eine absolute Grenze dar, schneller kann man nicht durch das Wasser pflügen. In erster Näherung hängt sie von der Länge des Schiffes, genauer gesagt der Wasserlinienlänge ab und kann mit einer einfachen Faustformel abgeschätzt werden. Multipliziert man die Quadratwurzel aus der Wasserlinienlänge (in Metern) mit 4,5, ergibt sich die Rumpfgeschwindigkeit in Kilometern pro Stunde.

Je länger ein Schiff, desto schneller kann es fahren. Auch deswegen sind im Verlauf der Zeit die Ozeanriesen immer größer geworden. Ein Boot mit zehn Metern Rumpflänge erreicht Spitzengeschwindigkeiten um vierzehn km/h (oder acht Knoten), eines mit hundert Metern schon 44 km/h (24 Knoten). Kleinere Rennboote umgehen diese physikalische Grenze, weil sie über die Wasseroberfläche gleiten und nur noch mit dem Heckantrieb und dem Ruder eintauchen. Ist ein solches Konzept auch für größere Schiffe realisierbar?

Raketa

Eine geeignete Idee hatte der russische Schiffskonstrukteur Rotislaw Alexejew (1916-1980) in den 1940er Jahren. Er baute Tragflächen, sogenannte Hydrofoils, unter den Kiel seiner Konstruktionen. Diese erzeugten bei der Umströmung durch das Wasser Auftrieb, ganz ähnlich wie die Flügel eines Flugzeuges (Aerofoils) bei der Umströmung durch die Luft. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit wird diese Auftriebskraft groß genug, um den Rumpf fast vollständig aus dem Wasser zu heben. Das einer weiteren Beschleunigung hinderliche Wellenmuster kann so vermieden werden. Schiffe dieser Art, beispielsweise die berühmte Raketa, sind bis heute in Russland vor allem als Schnellfähren im Einsatz.

Aber Alexejew ging noch einen Schritt weiter. Mit seitlich am Rumpf angeordneten Tragflächen gelang es ihm, ein Schiff komplett in die Luft zu bringen. Natürlich waren dann auch Antriebssystem und Steuerung zu verändern. Das knapp über der Wasseroberfläche fliegende Schiff benötigte Propeller- oder Düsentriebwerke und ein Leitwerk wie ein Flugzeug. An solchen Fahrzeugen waren vor allem die sowjetischen Militärs interessiert, denn sie gestatteten den Transport großer Massen über Wasserwege mit hoher Geschwindigkeit unterhalb des Erfassungsbereiches feindlicher Radarsysteme. Im Jahr 1966 startete der erste Vertreter dieser fortan als „Ekranoplan“ bezeichneten Fahrzeugklasse  zu Testflügen auf dem Kaspischen Meer. Einige Monate später entdeckten es die amerikanischen Geheimdienste auf den Bildern eines Spionagesatelliten und waren verwirrt. Was stellte dieses Ding dar, mit seinen kurzen Flügeln, seinem merkwürdigen Leitwerk und seiner unüblichen Triebwerksanordnung?  Sie nannten es fortan das „Kaspische Seemonster“. Sein Eigenname lautete „Korabl-Market“ oder kurz KM, was sich mit „Schiffsentwurf“ übersetzen lässt. Es  konnte 500 Tonnen Material mit mehr als 400 Kilometern pro Stunde auf beziehungsweise knapp über dem Wasser transportieren.

Alexejew hatte das Wunder vollbracht, die Masse eines Schiffes mit der Geschwindigkeit eines Flugzeuges zu bewegen. Weil er den Bodeneffekt nutzte.

Ein Phänomen, das seit den Anfangstagen der Luftfahrt bekannt war. Schon die ersten Flugpioniere bemerkten einen starken Anstieg der Auftriebskraft bei der Landung, der auf zwei aerodynamischen Besonderheiten beruht. Einerseits drücken die Tragflächen die Luft über dem Boden zusammen und produzieren auf diese Weise ein sich mit dem Flugzeug bewegendes dynamisches Luftkissen, das zusätzlich trägt. Andererseits verringert sich der induzierte aerodynamische Widerstand, da sich die an den Flügelenden entstehenden Wirbel mangels Raum nicht vollständig ausbilden können. Bei gleicher Motorleistung kann ein Fluggerät daher im Bodeneffekt viel schwerer sein, als im freien Flug. Oder aus anderer Perspektive: Um ausreichend Auftrieb zu erzeugen, ist im Bodeneffekt eine deutlich geringere Motorleistung erforderlich.

Im extremen Tiefflug

Letzteres brachte den deutschen Aerodynamiker Alexander Lippisch auf die Idee, ein Flugzeug zu konstruieren, das im extremen Tiefflug einerseits unsichtbar für das gegnerische Radar wäre, andererseits aufgrund der niedrigen Motorleistung aber auch sehr leise unterwegs sein könnte. Im Jahr 1963 erprobte er noch in den USA, in der ihm wie vielen deutschen Forschern und Ingenieuren nach dem Zweiten Weltkrieg mehr oder weniger freiwillig eine neue Wirkungsstätte geboten wurde, einen ersten Prototypen dieser Art. Ab 1969 führte er seine Entwicklungsarbeiten bei der Firma Rhein-Flugzeugbau in Mönchengladbach fort. Zu seinen Kollegen dort zählte der Flugzeugentwickler Hanno Fischer. Auch mit dem Ingenieur Günther Jörg hatte Lippisch einen intensiven Austausch. Beide, Jörg wie Fischer, verschrieben sich daraufhin der Entwicklung von Bodeneffektfahrzeugen, schlugen aber unterschiedliche technische Wege ein.

Der vor einigen Jahren verstorbene Günther Jörg ersann das sogenannte Tandem-Airfoil Flairboat, bei dem auf jeder Seite des Rumpfes zwei Tragflächen mit geeigneten Profilen hintereinander angeordnet sind (Tandemtragflächen). Insgesamt sechzehn Prototypen in unterschiedlichen Größen wurden in den 1970er und 1980er Jahren gebaut und erfolgreich getestet. Im Jahr 1984 erhielt Günther Jörg für seine Innovation den Philipp-Morris-Forschungspreis. Marktreife aber erlangten die Boote nie. Viele der Demonstratoren existieren noch, sie liegen betriebsbereit in einer kleinen Werft in Griechenland und dürfen dort  ausprobiert werden.

Hanno Fischer hingegen konzentrierte sich darauf, die Ideen Alexander Lippischs umzusetzen und zu optimieren. Acht entsprechende Fluggeräte entstanden unter seiner Leitung, teils mit staatlicher Förderung. Zuletzt absolvierte der Hoverwing 2VT im Jahr 2001 Testflüge auf dem Baldeneysee in Essen.

Fischer

Hanno Fischer im Jahr 2013 vor einem Modell des Hoverwing 20

Warum sind die Meere dieser Welt trotz dieser Erfolge nicht voller Bodeneffektfahrzeuge? Man könnte, selbst wenn man wollte, derzeit kein einziges kaufen. Das Problem liegt nicht in der Zulassung. Bodeneffektsysteme sind aus technischer Sicht zwar Flugzeuge, werden rechtlich aber wie Boote behandelt. Statt einer aufwendigen Zertifizierung wäre also nur eine Registrierung erforderlich. Auch ist keine Politenlizenz notwendig, mit einem Bootsführerschein dürfte man sie steuern. Leider aber litten sowohl die fliegenden Schiffe (die Ekranoplane), als auch die tieffliegenden Flugzeuge (wie der Hoverwing) bislang an erheblichen technischen Einschränkungen.

Problem Energieaufwand beim Start und Gewicht

Da ist zunächst der Energieaufwand für den Startlauf zu berücksichtigen. Wasser ist ein inkompressibles Medium. Es mit hohen Geschwindigkeiten für einen Start zu verdrängen, erfordert daher viel Energie. Dieser Aufwand neutralisiert die Effizienzgewinne im Flug fast vollständig. Alexejews Ekranoplane beschleunigten mit zehn Strahltriebwerken. Von denen acht nach Erreichen des Bodeneffektes nicht mehr benötigt wurden und abgeschaltet werden konnten.

Das hohe Strukturgewicht trug zusätzlich zur Erhöhung des Energiebedarfes bei. In Ermangelung anderer Möglichkeiten fertigten Alexejew, Lippisch, Fischer und Jörg ihre Fahrzeuge fast ausschließlich in Metallbauweise. Bestimmte Abschnitte (Flügelunterkanten, Rumpf) sind gegen Wellenschlag zu sichern und daher zusätzlich zu verstärken. Denn bei Geschwindigkeiten von mehreren hundert Stundenkilometern könnte selbst ein Stück Treibholz, das von unten gegen den Rumpf schlägt, den Totalverlust des Fahrzeuges hervorrufen.

Neue Serie zur Zukunft der Mobilität
Die Post: Mit dem Streetscooter auf dem Holzweg
Noch schwerer aber wiegt die komplexe aerodynamische Situation von Bodeneffektfahrzeugen. Diese könnten  bei vertikalen Störungen (etwa durch Wellenschlag) ungewollt den Bodeneffekt verlassen. Bislang wurde noch keine Konfiguration gefunden, die in solchen Fällen die Eigenstabilität, also die automatische Rückkehr in eine stabile Fluglage, sicherstellt. Und bei den hohen Geschwindigkeiten in Bodennähe haben Piloten kaum Zeit, auf kritische Situationen manuell zu reagieren. Die Risiken sind erheblich und manch ein Ekranoplan endete bereits auf dem Grund des Kaspischen Meeres.

Heute erst gibt es Werkzeuge und Hilfsmittel, mit denen Abhilfe geschaffen werden kann. Komplexe fluiddynamische Berechnungen können mittlerweile mit entsprechenden Softwarepaketen auf normalen PC’s durchgeführt werden und erleichtern so die Suche nach und das Auffinden von innovativen und sicheren Konfigurationen. Neuartige Materialien, insbesondere faserverstärkte Kunststoffe und hochfeste Stähle, eröffnen Wege, diese aerodynamischen Ideen auch mit der erforderlichen Stabilität bei gleichzeitig geringer Masse in der Realität umzusetzen. Moderne Autopiloten schließlich entlasten den Fahrzeugführer erheblich und können sogar zur Vermeidung kritischer Fluglagen beitragen.

Heute ganz andere Materialien

Diese drei Entwicklungen ließen das Interesse an Bodeneffektfahrzeugen in den vergangenen Jahren weltweit wieder steigen. Von den vielen laufenden Projekten können hier aus Platzgründen nur wenige genannt werden. So arbeitet in Singapur die Firma Wigetworks an der Kommerzialisierung des AirFish, der auf einem Entwurf Hanno Fischers aus den 1990er Jahren basiert. In Deutschland sucht das von dem russischen Ingenieur Ivan Novikov-Kopp gegründete Unternehmen IN Avia nach Investoren für den Seaplane, dessen völlig neuartige aerodynamische Konfiguration schon im Modell erfolgreich getestet wurde. Und in Korea baut die Wing Ship Technology Corporation einen Hoverwing mit immerhin 50 Sitzplätzen.

Der Hoverwing ist der jüngste Coup des Altmeisters Hanno Fischer. Seine charakteristische Doppelrumpfstruktur dient dem Aufbau eines statischen Luftkissens beim Start, durch das der Energiebedarf enorm gesenkt werden soll. Trotz seiner mittlerweile 95 Jahre verfolgt Fischer seine Vision unbeirrt. In seinem Auftrag entsteht in einer Halle in Gundelfingen bei Augsburg derzeit der Hoverwing 20. Eigentlich hatte man schon vor zwei Jahren gehofft, das Fahrzeug an der deutschen Nordseeküste erproben zu können. Aber technisch komplexe Vorhaben bringen häufig unverhoffte Schwierigkeiten mit sich. Einige Monate wird es wohl noch dauern, bis das Gerät zu Wasser gelassen wird.

Hoverwing1

Der Hoverwing 20 im Bau – Stand 2013

Das anfangs erwähnte merkwürdige Gerät im Hafen von Kaspijsk ist natürlich ein russisches Ekranoplan. Es ist nicht das ursprüngliche kaspische Seemonster, sondern das 1986 in Dienst gestellte Nachfolgemodell Lun, das mittlerweile aber nur noch ein Industriedenkmal darstellt. Daraus sollte man nicht schließen, in Russland hätte man das Thema aufgegeben. Das Gegenteil ist richtig, wie Wjatscheslav Kolganovs Ivolga  beispielhaft aufzeigt. Zu beachten ist außerdem das Unternehmen RDC Aqualines, dessen Ekranoplane im klassischen Alexejew-Design bald als regulär verkehrende Schnellfähren zwischen Tallinn und Helsinki eingesetzt werden sollen. Statt mehr als zwei Stunden würde die Überfahrt dann gerade noch zwanzig Minuten in Anspruch nehmen.

Hochgeschwindigkeitstransport über Wasser – das ist der Markt, der mit Bodeneffektfahrzeugen einer neuen Generation eröffnet werden kann. Sie sind um einen Faktor Zehn schneller, als ein Verdrängerschiff gleicher Größe und dabei wesentlich effizienter, als ein Flugzeug gleicher Geschwindigkeit. Sie schließen daher die Lücke zwischen diesen beiden Transportmodi. Sie benötigen dazu keine neue Infrastruktur, die vorhandenen Häfen genügen völlig. In diese fahren sie als Boote ein – das auch gerne mit einem kleinen elektrischen Hilfsmotor, dessen Akkumulator während des Fluges aufgeladen wird. Start und Übergang in den Tiefflug erfolgen dann auf hoher See, wo der Lärm der Turbinen niemanden stört. Bodeneffektfahrzeuge werden Wirtschaftsräume enger zusammenführen, in denen der Zeitaufwand für die notwendige Überquerung trennender Wasserflächen bislang die physische Vernetzung behinderte. Auch sorgen sie für Impulse in entlegenen Gebieten, in denen es außer natürlichen Wasserstraßen keine Infrastruktur gibt. Ob in Nord- und Ostsee, im Mittelmeerraum, im Kaspischen und im Schwarzen Meer, ob in den Inselstaaten Südostasiens oder entlang der großen Ströme Afrikas, Südamerikas und Asiens – Bodeneffektfahrzeuge könnten überall den Austausch von Waren und Ideen befördern und damit als neues Verkehrssystem die Grundlage für neuen Wohlstand bieten. Das ist, was Dampfschiffe, Eisenbahnen, Automobile und Flugzeuge in der Vergangenheit geleistet haben. Das ist daher auch der Anspruch, den man an die Mobilität der Zukunft haben sollte.

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