Schwimmen ist ja eine ziemlich energieeffiziente Fortbewegungsweise – große Schiffe haben eine gute Umweltbilanz. Trotzdem müssen sie natürlich den Wasserwiderstand überwinden. Könnte man den reduzieren, ließen sich Unmengen an Schiffstreibstoff sparen. Ein möglicher Trick hierzu wurde kürzlich gleich auf zwei unterschiedliche Arten ausprobiert.

Die Reibung beim Schwimmen kommt daher, dass die Wassermoleküle direkt an der Oberfläche des Schwimmers anhaften, dort ist ihre Geschwindigkeit also Null. Da das Wasser weit weg vom Schwimmer an diesem vorbeifließt, muss sich ein Geschwindigkeitsprofil ausbilden, das typischerweise so aussieht:

Turbulente Stroemung.png
By MandaviOwn work, CC BY-SA 3.0, Link

Hier gleiten also Flüssigkeitsschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander ab. Das aber kostet Energie – Wasser besitzt eine Viskosität.

Dass die unterste Flüssigkeitsschicht direkt an der Oberfläche ruht, ist eins der Grundprinzipien der Strömungsmechanik, dagegen ist nichts zu machen. Insofern scheint es erst einmal, als könne man nichts gegen diesen Effekt tun. Weiter weg von Schwimmer muss die Strömung eine bestimmte Geschwindigkeit haben (in der Strömungsmechanik ist es üblich, den Schwimmer als ortsfest anzusehen und die Strömung an ihm vorbeizuführen – physikalisch ist das dasselbe, aber mathematisch leichter zu handhaben), direkt am Schwimmer muss die Geschwindigkeit Null sein, also gibt es dazwischen einen Änderung der Geschwindigkeit, also ist wegen der Viskosität eine Kraft hierfür notwendig. Und an der Viskosität des Wassers kann man ja beim Schwimmen nicht drehen.

Oder vielleicht doch?

Wasser ist ja nicht das einzige Medium, durch das man schwimmen kann. Ein anderes Medium mit wesentlich kleinerer Viskosität ist Luft. (O.k., Luft ist ein Gas, aber für die Strömungseigenschaften ist das relativ egal; deswegen fassen Strömungsmechanikerinnen Gase und Flüssigkeiten unter dem Oberbegriff “Fluide” zusammen.)

Man müsste sich also mit einem Luftfilm umgeben – dann könnte die Änderung der Geschwindigkeit im wesentlichen in diesem Luftfilm passieren, wo die Viskosität klein ist. Also: Man umgibt sich mit einer Luftblase und schwimmt dann darin – ganz einfach, nicht wahr?

Wenn ihr mir das so abkauft, dann hätte ich gleich die passende Tüte Luft günstig abzugeben…

Ernsthaft: Die Luftblase hat sicher andere Ideen, als euch brav einzuhüllen und wird sich natürlich ziemlich schnell ablösen. Man bräuchte einen Trick, um die Luftblase (oder besser einen dünnen Luftfilm) direkt am Schwimmer anhaften zu lassen. Dazu müsste man das Wasser daran hindern, die Luft zu verdrängen und so den Schwimmer zu benetzen.

Wahrscheinlich haben die meisten schon einmal vom Lotuseffekt gehört. Der sorgt dafür, dass Wassertropfen von Lotusblättern abperlen, so wie hier (wieder bei Wikipedia geklaut, ohne Wiki wäre mein Blog ganz schön arm an Bildern, das Bild stammt von Wikipedianutzer ArchiKat):

LotusPlant by ArchiKat.jpg
By ArchiKatOwn work, CC BY 3.0, Link

In der Mitte seht ihr die Tropfen auf den Lotus- (oder Lotos-) Blättern, unten handelsübliche Seerosenblätter, auf denen die Tropfen nicht so gut abperlen.

Der Lotuseffekt funktioniert dadurch, dass die Oberfläche des Blattes mit winzigen Rauigkeiten versehen ist. Außerdem ist sie hydrophob, das heißt, dass Wasser sich nur ungern dort anlagert. Auch dazu gibt es ein schickes Bild bei Wikipedia:

Lotus3.jpg
By William Thielicke website: More pictures and bionics. Hamburg, Germany., GFDL, Link

Dass die Oberfläche hydrophob ist, bedeutet, dass es Energie kostet, Wasser in Kontakt mit der Oberfläche zu bringen. Und wegen der Mikrorauigkeiten ist das ziemlich viel Oberfläche (je rauer, desto mehr Fläche) – deswegen ist es energetisch günstiger, wenn das Wasser die Oberfläche möglichst gar nicht benetzt. Man nennt diese Eigenschaft deshalb auch “superhydrophob”.

Beim Lotusblatt klappt das prima, und auch technisch nutzt man den Effekt beispielsweise für selbstreinigende Oberflächen. (Die berühmten Hightech-Schwimmanzüge, die ja jetzt verboten werden, beruhen nicht auf diesem Effekt, soweit ich das verstehe, sondern auf dem “Haifischhaut-Effekt”. Dabei sorgen Mikrorauigkeiten für eine optimierte Bildung von kleinsten Wirbeln, die den Widerstand herabsetzen. Ludmilla hat sich dazu vor einiger Zeit mal schlaugemacht.)

1 / 2 / 3 / Auf einer Seite lesen

Kommentare (24)

  1. #1 Quixottel
    5. März 2011

    Hallöchen, das klingt ja mal direkt nach einer Innovativen Idee – nur würde es mich interessieren, was für Materialien dafür denn von Nöten wären? So ein Schiff hat schon eine recht angenehm große Rumpffläche – da sollte einiges drauf passen. Die Technik könnte also zunächst am Geld scheitern, oder ist das zu pauschal veranschlagt?

    Und zweitens – wenn die Schiffe es sich doch leisten konnten und nun mit diesem schicken kleinen Mantel herum tuckern können – gibt es dann bald Blitzer fürs Meer, weil sich jeder Tanker berufen fühlt Geschwindigkeitsrekorde aufzustellen?! Schwimmen ohne Widerstand senkt ja nur bedingt den Verbrauch – wenn man dieselbe Geschwindigkeit wie vorher fährt. Die Leistung der Maschinen wird ja aber nicht weniger, und Mensch bleibt Mensch… warum also sollten sich alle daran halten, weiter ihre paar Knoten zu zuckeln, wenns auch schneller gehen würde?! Die Globalisierung würde das bestimmt gut heißen …
    Und wenn die Tanker dann die höhere Geschwindigkeit aus der Schraube zwirbeln – wie sieht es dann wiederum mit dem Druck auf der Oberfläche aus?
    Ich denke da müssen noch einige Extraüberlegungen angestellt werden, aber das Thema an sich wäre spannend weiter zu verfolgen…

  2. #2 MartinB
    5. März 2011

    @Quixottel
    Alles sehr gute Punkte.

    Momentan fertig man diese Strukturen aus Silizium-Einkristallen, ähnlich wie bei der Chipherstellung. Die werden dann noch mit dem nanorauen Goldfilm beschichtet. Ich bin kein Wirtschaftsingenieur, aber das klingt erstmal teuer. Wenn das Verfahren aber sinnvoll ist, dann wird sich vielleicht auch ein Weg finden, es billiger zu machen.
    Ob dann am Ende einfach alle doppelt so schnell fahren, weiß ich nicht, wie du richtig sagst, steigt dann ja der Oberflächendruck auch wieder an – das ist sicher ein Optimieurngsproblem
    Es ist sicher auch wieder ne Kostenfrage: Spritersparnis vs. Zahl der Transporte/Jahr. Auch das kann ich nicht berechnen, aber vielleicht ergibt sich bei schnellerer Fahrt ein Umweltvorteil auch dadurch, dass Dinge, die jetzt per Flugzeug transportiert werden müssen, dann aufs Schiff umgeladen werden können.

  3. #3 SCHWAR_A
    5. März 2011

    @MartinB: Vielen Dank, das ist ein sehr schöner Artikel!

    Leider ist zur Arbeit von Lee&Kim wieder mal ‘ne Bezahlschranke dazwischen…

    Daher jetzt die Frage: wie hoch ist der Energieaufwand für die Elektrolyse eines Schiffsrumpfes der Größe eines Containerschiffs? Rentiert sich das wirklich?

    Wie schnell verliert das Schiff seine ‘Gashülle’ bei voller Fahrt – ist es möglich, diese zeitnah durch Elektrolyse auf einem Level zu halten?

  4. #4 MartinB
    5. März 2011

    @SCHWAR_A
    Ob sich das rentiert, steht nicht in dem Artikel – dafür ist es wohl noch etwas früh, im Moment interessiert erstmal, die Möglichkeiten auszuloten. Ich habe das aber schon so verstanden, dass das im Prinzip kontinuierlich geht.

    Falls du ne Kopie des Artikels willst – schick mir ne mail.

  5. #5 Bernhard Schmalhofer
    5. März 2011

    Ich habe noch eine spontane Frage. Schwimmt das Schiff noch, wenn es von einer Luftblase umgeben ist?

  6. #6 Quixottel
    5. März 2011

    Aha… na gut, Silizium ist ja erstmal nicht ganz so teuer, bzw davon gibt es genügend, und wenn das Zeug vielleicht nicht ganz hochrein sein muss, dann mag es durchaus nicht all zu kostspielig werden, aber der Goldfilm… ganz egal wie winzig die Struktur ist (die Dicke dürfte sich ja im untersten Segment eines Mikrons aufhalten), so lange das auf eine ganze Schiffsrumpfunterseite geblättet werden muss, kommt die Finanzabteilung des Cargounternehmens bzw. der Werft bestimmt ins Grübeln… und bestellt sich lieber erstmal ein Eis.
    Das Argument der Umweltschonung halte ich zwar für die Grundüberlegungen und öffentlichkeitswirksamen Publikationen für einen wichtigen Aspekt, jedoch glaube ich nicht daran, dass sich auch nur irgendein Großunternehmen wirklich für dieses Feld interessiert, so lang der Gewinn im Jahr ein größerer Betrag ist, als man Gold am Boot über die Meere schippert… (Noch so eine Überlegung am Rande – derartig großflächige Goldstrukturen könnten auch das Problem der Kriminalität anregen – so ein Schiff müsste dann vermutlich rund um die Uhr bewacht werden, damit niemand mit nem Spatel versucht heraus zu finden, wie viel so ein Schiff nun Wert ist…)

    @Bernhard Schmalhofer: wie würdest du es denn nennen wollen? Schlummen? Denn “Sich durch Wasser von einer Luftblase umgeben fortbewegen” halte ich für nicht sonderlich gebräuchlich..

  7. #7 MartinB
    5. März 2011

    @Bernhard
    Klar, der Luftfilm ist nur ein paar Mkrometer dick, der ändert am Auftrieb nichts. (Überleg mal, wieviel Luft im Inner des Schiffes ist.) Oder meinst du die Begrifflichkeit? Das Schiff ist ja nicht völlig von Luft umgeben, die Spitzen der Stege ragen ja noch raus.

    @Quixottel
    Ja, die Technikfolgenabschätzung ist kompliziert. Dass der Gildfilm sehr teuer ist, glaube ich nicht. Nehmen wir mal ein Schiff mit 200Meter Länge und 10m Höhe, dann hat die Oberfläche grob geschätzt ein paar tausend Quadratmeter, sagen wir 10000. Darauf einen Film von 1 Mikrometer Dicke (wie dick der genau ist, steht anscheinend nicht im paper) macht 100Gramm Gold. Der Herstellungsprozess ist sicher viel teurer als das. Ich vermute außerdem, preiswertere Metalle wie Silber würden auch funktionieren.

  8. #8 Quixottel
    5. März 2011

    hmmm… hab ich mich jetzt verrechnet’? (Ich entschuldige mich mal im Vornherein, dass ich die Kommentarfunktion nun in dieses eigentlich sinnlose Spektrum führe, was gar nicht mehr so viel mit deinem Artikel zu tun hat)
    Ich hab mich mal kurz schlau gemacht und nachgeschaut, was so ein Tanker für Maße hat. Momentan ist ein gebräuchlicher Tiefgang von 25m und eine Länge von 300-max. 490m. Gehen wir vereinfacht von zwei Rechteckigen Grundflächen für die Seiten aus, so komme ich bei 300m Länge auf 15.000m² Fläche. Bei einem Film von 1Mikrometer macht das 0,015m³ Gold.
    Bei einer Dichte von 19,3 tonnen pro m³ macht das für Gold ein Gewicht von 294kg.
    Das finde ich jetzt schon ein bisschen heftig…? Immerhin hab ich erst vor kurzen eine kleine Führung durch die Herstellungsanlage eines Chipherstellers gemacht, welcher meinte einen Jahresverbrauch von etwa 2kg Gold für ihre Platinen zu haben… (und bereits diese kleine Menge Gold hat schon einen Extra- Tresor bekommen….)

    Um mal wieder ein bisschen näher am Artikel zu stehen : Wie oben gezeigt wird dauert die Gasauffüllung 97sek. Wie schnell aber bei genügend hohem Druck der Gasfilm verschwindet steht tatsächlich nirgends. Ich vermute aber, dass gerade dieser Vorgang im Vergleich zur Elektrolyse deutlich schneller von statten geht. Es müsste also erst eine Optimierung der Elektrolyse her, oder waren die 97sek da oben ein Maß für die Gaserneuerung während die Schicht von Wasser umspült wird … (mit Druck)
    ?

  9. #9 MartinB
    5. März 2011

    @QUixottel
    Nö, ich habe mich verrechnet (Dichte in g/cm^3 statt kg/m^3), ich glaube, du hast recht (kommt davon, wenn man nebenbei ne Ente im Ofen hat…). Das klingt erstmal nicht so kostengünstig, aber wie gesagt, Gold ist sicher nicht das einzige Metall, das geht.

    Das mit dem kontinuierlichen Nachfüllen scheint aber zu klappen:

    We experimentally veri-
    fied that a gas layer can be retained on our surface under
    pressurized liquid (tested up to 7 atm) by employing the
    current gas restoration scheme.

    Und es stimmt, ob der Gasfilm wirklich unter realen Bedingungen kontinuierlich

  10. #10 Jens
    5. März 2011

    In diesem Zusammenhang sollte auch der Salvinia-Effekt genannt werden, eine Art erweiterter Lotus-Effekt. Salvinia ist eine Schwimmpflanze, die nicht nur Wasser abperlen lassen kann, sondern wenn sie unter Wasser gerät tatsächlich einen Luftfilm auf den Blättern festhalten kann (wohl über Monate). Ermöglicht wird das durch hydrophile Spitzen, die dafür sorgen, dass die Grenzfläche am Blatt “festgetackert” wird. Der Effekt wird unter anderem am KIT untersucht, ebenfalls mit dem Ziel den Wasserwiderstand von Schiffen zu senken
    http://www.aph.uni-karlsruhe.de/schimmel/salvinia.html

  11. #11 MartinB
    5. März 2011

    @Jens
    Danke, das kannte ich noch nicht. Superhydrophobie ist ja genau der Effekt, um den es hier geht.

  12. #12 Aveneer
    5. März 2011

    Die Versuche wurden wahrscheinlich mit demin. Wasser gemacht? Dann müsste man jetzt nur noch das Meer entsalzen, sonst wird man nach kurzer Zeit sämtliche Vertiefungen verstopfen?

    Die Elektrolyse wird ja auch zur Bildung künstlicher Korallen verwendet? Ob so einen schwimmendes Korallenriff noch so schön durch das Wasser gleitet ? 😉

    Gruß
    Aveneer

  13. #13 Markward
    5. März 2011

    ich musste bei dem Artikel an die Superkavitation denken
    http://de.wikipedia.org/wiki/Superkavitation

  14. #14 Redfox
    5. März 2011

    Alter Hut.
    In Shea, Wilson 69-71 wird ein entsprechend präpariertes U-Boot beschrieben.

    😉

  15. #15 ich
    15. Dezember 2013

    Hallo,
    ich wollte nur mal kurz anmerken, dass bei dem Beispiel des Schwimmers von einer laminaren Strömung ausgegangen wird. Da Menschen jedoch einen großen Frontalwiderstand haben, bildet sich um sie herum eine turbulente Ströumung aus. Hierzu ein Link: http://www.svl.ch/SwimmingInGel/

    Gruß

  16. #16 MartinB
    16. Dezember 2013

    @ich
    Da hast du natürlich recht, aber hier geht es ja nur um die Grenzschicht, und die ist doch – soweit ich weiß – immer laminar.

  17. #17 Wilhelm Leonhard Schuster
    16. Dezember 2013

    Schiffe haben doch 2 Wände -da könnte man die Außenwand doch aus Sintermaterial das luftdurchgängig ist, herstellen und mittels Kompressor, dann Luft durch das Sintermaterial jagen.
    Die Befestigungsfrage der Außenwand dürfte nicht gar zu störend werden.
    Der Luftverbrauch wäre natürlich zu berücksichtigen.
    (Druckluft ist bekantlich teuer!)

  18. #18 MartinB
    16. Dezember 2013

    @WLS
    Dann bräuchte man aber einen Druck, der groß genug ist, damit die Luft das Wasser verdrängt, und dann wird es vermutlich nicht so einfach, den Luftfilm haften zu lassen.
    Ich weiß nicht, ob sich das realisleren ließe.

  19. #19 Wilhelm Leonhard Schuster
    16. Dezember 2013

    Ich weiß, unterschiedlicher “Tiefgang “ct unterschiedliche Druckkammern usw.ct. ct.-Ist ja nur eine “Spaßanregung”.

    (Haften müßte meiner Meinung nach der Luftfilm ja nicht ,
    die Gleitwirkung sollte doch auch mit den laufend entstehenden “Mini-Luftblasen” erzeugbar sein.

    Wenn statt 30 Knoten ,50 Knoten, bei ungefähr gleichem Energie Aufwand, erreichbar wären,

    (Ich habe keine Ahnung was da “drin” ist .)

    könnte man derartiges empfehlen

  20. #20 Wilhelm Leonhard Schuster
    17. Dezember 2013

    Ui da gibt es noch einige grundsätzliche und teure
    Hemmnisse: Es wären Entsalzungsanlagen für See-Wasser
    das zudem kalkfrei sein müßte, vonnöten!

  21. #21 Wilhelm Leonhard Schuster
    17. Dezember 2013

    Au voriger Kommentar dick daneben Bitte Bitte löschen.
    Hatte soeben Ärger und das ist dann die Folge!

  22. #22 Wilhelm Leonhard Schuster
    17. Dezember 2013

    Irgend wie purzelten Gedanken,die “Christliche Seefahrt” betreffend, durch mein lädiertes Hirn.
    Hat schon jemand Versuche gemacht folgender Art?:
    Am Bug wird Wasser mittels vieler Röhren zu einer Turbine geleitet. Selbiges durch Turbine druckerhöhtes Wasser wird dann seitlich und überall am Rumpf
    durch kleine Düsen, die Rückstoß, sowie weniger “Gleitwiderstand” erzeugen, zusätzlich angetrieben.
    Gefahr natürlich: Salzwasser und Kalk verschließt die
    relativ kleinen Düsen!

  23. #23 Jürg Rimann
    Blasenbildung durch Injektion
    10. Januar 2016

    Könnte man nicht auf “schnellen” Schiffen” (z.B. Tragflächenboote, Rennyachten usw.) die Luftblasen mittel Injektion bzw. in den Wasserbereich eines Schiffes leisten. Wäre sicher günstiger und weniger Störungsanfällig als eine elektrochemische Bauart.

  24. #24 MartinB
    11. Januar 2016

    @Jürg
    Weiß ich ehrlich gesagt nicht – man müsste dann ja einen Schiffsrumpf mit entsprechenden Löchern vorsehen.
    Bei Flugzeugen wird mit sowas experimentiert, aber bei Schiffen könnte ich mir vorstellen, dass die Konstruktion eines Schiffsrumpfs von 200 Meter Länge mit lauter Mikro-Poren schon ziemlich schwierig (und teuer) wäre. Aber wer weiß – ich bin keine Technik-Expertin.