Draaiende metalen zeilen kunnen brandstofverbruik, emissies op vrachtschepen verminderen

Wegwaaiend zorgen twee rotorzeilen voor extra voorwaartse stuwkracht naar een vrachtschip.

Josh Harrison / Alamy Stock Photo

Draaiende metalen zeilen kunnen brandstofverbruik, emissies op vrachtschepen verminderen

Door Katherine KorneiSep. 6, 2017, 17:05 uur

De Britse voetbalster David Beckham stond bekend om zijn vrije trappen over verdedigingsmuren en rond uitgestrekte doelwitten buigen . Nu wordt de fysica achter dergelijke gebogen trappen gebruikt om oceaanschepen efficiënter aan te drijven.

Begin volgend jaar worden een tankschip van Maersk, het Deense transportconglomeraat en een passagiersschip van Viking Line uitgerust met draaiende cilinders op hun dekken. Verticaal gemonteerd en tot 10 verdiepingen hoog, kunnen deze rotzeilen het brandstofverbruik tot 10% verlagen, transportbedrijven honderdduizenden dollars besparen en roetveroorzakende koolstofemissies met duizenden tonnen per rit verminderen.

Rotorzeilen vertrouwen op een beetje aerodynamica dat bekend staat als het Magnus-effect. In de jaren 1850 merkte de Duitse natuurkundige Heinrich Gustav Magnus op dat een draaiend voorwerp, zoals een bal, een zijwaartse kracht ondervindt wanneer hij door de lucht beweegt. De kracht komt als volgt tot stand. Als de bal niet draaide, stroomde er lucht recht langs, waardoor een wervelend kielzog ontstond dat zich direct achter de bal uitstrekte als de staart van een komeet. Het draaiende oppervlak van een draaiende bal trekt echter wat lucht mee. De rotatie buigt het kielzog zodat het onder een hoek van de bal komt, dichter bij de zijkant van de bal die in de tegemoetkomende lucht draait. Dankzij de derde wet van Isaac Newton dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie moet hebben, duwt de afgebogen kielzog de bal in de tegenovergestelde richting, naar de zijkant van de bal die wegkeert van de tegemoetkomende lucht. Aldus krijgt de draaiende bal een zijwaartse duw.

In het begin van de 20e eeuw stelden wetenschappers voor het Magnus-effect te gebruiken om schepen voort te stuwen. De Duitse ingenieur Anton Flettner verving 420 vierkante meter zeildoek op de schoener Buckau door twee 15-meter lange stalen rotorzeilen, die met een kleine motor werden rondgedraaid. Flettner toonde aan dat wind die rond de rotorzeilen van de Buckau reed, een kracht op de zijkanten van de rotorzeilen creëerde die het schip voortstuwde. In 1926 stak de Buckau de Atlantische Oceaan over. Flettner slaagde er echter niet in investeerders te vinden die geïnteresseerd zijn in rotorzeil aangedreven schepen. De brandstofprijzen waren gewoon te laag en er waren geen milieuregels die de uitstoot van schepen beperkten.

Maar de economische bries kan opfrissen voor zeilkracht. Tegenwoordig wordt meer dan 90% van de goederen over de oceaan vervoerd, en alleen al in 2015 zagen de Chinese haven van Shanghai 36 miljoen containers passeren. Al die handel heeft een milieuprijs: de meeste schepen verbranden zware stookolie en produceren warmtevangen koolstofdioxide evenals roet- en zwavelverbindingen die bijdragen aan zure regen. De scheepvaartsector staat onder verhoogde druk om de uitstoot te verminderen, zegt Tuomas Riski, CEO van Norsepower Oy Ltd., een bedrijf voor schone technologie en engineering met hoofdkantoor in Helsinki.

Norsepower rotorzeil Het oppervlak van de roterende cilinder trekt lucht mee, die de lucht afbuigt die door de cilinder passeert. Omdat de cilinder de lucht opzij duwt, moet de lucht op zijn beurt de cilinder de andere kant op duwen, dankzij het dictum van Isaac New-ton dat elke actie een gelijke en tegengestelde reactie heeft. Aldus ervaart de roterende cilinder een liftkracht loodrecht op de windrichting. Fundering bevestigd aan scheepsdek Lift Wind 1, 8 m Rotorzeil Afbuiging van de luchtstroom
C. Bickel / Science

Norsepower heeft een rotorzeil ontwikkeld op basis van het oorspronkelijke ontwerp van Flettner, maar bijgewerkt met moderne materialen zoals koolstof- en glasvezels die het gewicht met een factor drie verminderen. Dat betekent dat er minder elektriciteit nodig is om de rotor te laten draaien, wat zich vertaalt in een efficiëntere aandrijving. Onze grootste rotorzeilen kunnen een voorwaartse stuwkracht leveren van maximaal 3 megawatt hoofdmotorvermogen terwijl ze minder dan 90 kilowatt elektriciteit trekken, zegt Riski. Het ontwerp van Norsepower is ook gekoppeld aan software die de rotatiesnelheid van een rotor aanpast enkele honderden omwentelingen per minuut om de voorwaartse stuwkracht te maximaliseren. It s is volledig automatisch en eenvoudig te gebruiken, zegt Riski.

De technologie moet ook veilig zijn, omdat het afsnijden van elektriciteit naar de rotor de aandrijving stopt en slechts een sleepkracht achterlaat. En die sleepkracht is waarschijnlijk veel minder belangrijk dan de sleep die de romp van het schip ervaart door water te bewegen, zegt Jeff Eldredge, een vloeistofdynamicus aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Michael Traut, natuurkundige aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk, zegt dat er geen risico is op kapseizen van de schepen.

Rotorzeilen zijn over het algemeen effectief als de wind sneller dan 18 kilometer per uur beweegt ongeveer 10 knopen en over de boeg van het schip blaast in een hoek van ten minste 20 . Schepen ondervinden vaak dergelijke omstandigheden op de noordelijke Stille Oceaan en de Noord-Atlantische scheepvaartroutes, zegt Riski. In tegenstelling tot de originele rotorzeilen van Flettner zijn de nieuwe versies bedoeld om alleen extra stuwkracht te bieden in plaats van een scheepsmotor volledig te vervangen, zegt Riski.

In 2015 voerde Norsepower de eerste tests op zee uit van zijn rotorzeilen op een vrachtschip dat auto's en vrachtwagens vervoert tussen Nederland en het Verenigd Koninkrijk. Bij de uitrusting met twee 18 meter hoge rotorzeilen verbrandde het schip 6% minder brandstof. Volgend jaar, nadat Norsepower rotorzeilen installeert op een olietanker en een cruiseschip voor passagiers, hebben alle belangrijke scheepstypes gedekt, zegt Riski. Containerschepen passen niet goed bij rotorzeilen omdat hun dekken zijn gestapeld met containers, merkt hij op.

De tijd zal leren of deze nieuwe kijk op oude technologie succesvol is. Een van de nadelen van de originele rotors van Flettner was dat het benodigde vermogen om ze te roteren te groot was om ze praktisch te maken, zegt Eldredge. Maar met nieuwe materialen kan dat probleem worden opgelost, zegt hij. Toch zegt hij: het valt nog te bezien of we een groep vrachtschepen met Flettner-rotors zullen zien.

* Correctie, 7 september, 12:40 uur: het verhaal is gecorrigeerd om het bedrijf te identificeren dat de rotorzeilen op zijn passagiersschepen zal testen.