Der UNIKAT (Boot mit Flettner-Rotor)
(abgeschlossen)
Der UNIKAT ist von seiner Bootsform her eine polynesiche Proa. Das Besondere an dieser Bootsform ist, dass die Pro kein Heck hat; man also ohne Wende (Halse) in beide Richtungen fahren kann.
Der Flettnerrotor beruht physikalisch gesehen auf dem Magnus-Effekt. Gustav Magnus untersuchte um 1850, wie sich geometrische Körper in Strömungen verhalten. Dabei stellte er fest, dass eine rotierende Kugel oder ein rotierender Zylinder eine Querkraft erfährt. Dies erklärte er anhand der Bernoulli-Gleichung. Richtungsänderungen der Strömung und dadurch entstehende Impulsänderungen werden damit allerdings nicht erklärt.
Ab 1920 entwickelte Anton Flettner daraus einen Schiffsantrieb mit röhrenförmigen Zylindern. Diese wurden nach ihm "Flettner-Rotoren" genannt. Mit diesen Rotoren wurden 1924 die Buckau (2 Rotoren) in Kiel, 1926 die Barbara (3 Rotoren) ausgerüstet. Die Buckau fuhr mit diesen Segeln sogar bis New York; wurde aber nach Zeugenaussagen auch in der Flensburger Förde gesichtet. Die Weiterentwicklung wurde durch den
2. Weltkrieg unterbrochen und von Flettner danach nicht weiterverfolgt.
Zum besseren Verständnis aber zuerst etwas über die Funktion eines Tuchsegels.
Ein übliches Segel besteht aus einem Tuch, das weniger als 1 mm dick ist: Kann die Erklärung richtig sein, dass der Weg des Windes außen herum weiter ist, die Luft daher dort schneller sein muss und so der Druck absinkt? Dazu ist der Weglängenunterschied einfach zu klein.
Wenn man aber daran denkt, wie die aus dem fahrenden Auto gehaltene Hand je nach Richtung auf- oder abwärts gedrückt wird, kommt man der Sache schon näher: eine schräge Fläche lenkt den Wind aus seiner ursprünglichen Richtung ab. Da Luft durchaus etwas wiegt, braucht diese Ablenkung Kraft.
Und die Gegenkraft ist der Zug des Segels.
Zur Größe der Kraft:
Ein 10 m² großes Segel lenkt bei Windstärke 4 in jeder Sekunde etwa 100 kg Luft ab! Diese zwei Zentner Luft strömen, wenn sie das Segel hinter sich gelassen haben – in eine andere Richtung. Leider entstehen dabei auch Wirbel, die die Luft bremsen. Dieser Widerstand verschlechtert den Wirkungsgrad am Wind erheblich.
Ein Zylinder, der von der Seite angeblasen wird, hat einen relativ geringen Widerstand. Die Wirbelschleppe ist klein. Rotiert der Zylinder, läuft die innerste Luftschicht mit herum. Wird er nun durch Wind angeblasen, kommt es an der einen Seite zu der Beschleunigung, an der anderen zu einer Verzögerung der Luft.
Dadurch ändert sich die Luftrichtung: der Wind wird durch den rotierenden Zylinder abgelenkt, die Größe der Ablenkung ist dabei von der Rotationsgeschwindigkeit und der Windgeschwindigkeit abhängig.
Da in der Zeichnung die Luft oben schneller als unten strömt, wird sie abgelenkt. Die Kraft dazu wird vom Rotor aufgebracht. Ein rotierender Zylinder ist also ein Segel, das dazu einen sehr geringen Luftwiderstand hat. Seine Kraft kann durch die Drehzahl verändert werden. Das ist der Grund, weshalb das von Anton Flettner von 1920 bis 1925 entwickelt Rotorsegel so bedienungsfreundlich ist. Es refft sich übrigens bei einer Böe selbständig dadurch, dass das Geschwindigkeitsverhältnis ungünstiger wird!
Warum haben wir uns für die besondere Bootsform (Proa) entschieden ?
Natürlich ist ein Segelboot nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn man damit gegen den Wind kreuzen kann. Eine Wende ist mit dem Flettner nur schwer machbar, da man ja während einer Wende durch den Wind muss. Hier stellt der Rotor dann doch einen zu großen Windwiderstand da. Auch dauert es zu lange, die Drehrichtung des Rotors zu ändern.
So entstand die "Flettner-Wende".Die Skizzen mit der Bezeichnung Phase1 bis 3 zeigen, wie man eine Flettner-Wende einleitet. Diese Phasen wiederholen sich natürlich bei jeder Wende.
Phase 1: Antriebsmotor für den Rotor ist abgeschaltet, Rotor wird langsamer. Das Boot wird in den Wind gesteuert.
Phase 2: Der Rotor steht, das Boot macht keine Fahrt.
Phase 3: Der Rotor dreht in entgegen gesetzter Richtung. Das Boot nimmt wieder Fahrt auf (bei einem anderen Boot würde man "Rückwärts" sagen); erst einfach dadurch, dass der Wind gegen den Rotor "drückt" (beginnt schon bei Phase 2), dann wieder durch den Magnus-Effekt..
Hier noch ein paar Daten zum Boot:
Der große Rumpf (Vaka) ist 6,10 m, der kleine Rumpf (Ama) 4,90 m lang.
Breite: 3,55 m Höhe Rotor: 4,00 m Durchmesser Rotor: 0,71 m Umfang Rotor: 2,23 m
Material Rotor: GFK-Folie um 28" Fahrradfelgen gewickelt
Antriebsmotor Rotor: elektrischer Außenborder, max. 35 Ampere bei 12 Volt, normal 10 – 12 Ampere.
Der Motor wird mit 4 Stck. 86 Ah Blei-Gel Akkus angetrieben. Diese werden durch
3 Solarmodule (12 V/ 3,6 A) aufgeladen. Die Solarmodule sind begehbar.
Die Drehzahl des Rotors wird mit einer Puls-Weiten-Regulierung gesteuert.
