Flettner-Rotor

Spielzeugschiff mit Flettner-Rotoren

Der Flettner-Rotor ist ein alternativer aerodynamischer Antrieb in Form eines der Windströmung ausgesetzten, rotierenden Zylinders, der durch den Magnus-Effekt eine Kraft quer zur Anströmung entwickelt. Er ist nach seinem Erfinder Anton Flettner benannt.

Aufbau

Vortrieb am Schiff

Als Schiffsantrieb besteht ein Flettner-Rotor aus einem senkrecht stehenden, hohen, rotierenden Zylinder aus Blech, dessen größere Endscheiben die Strömung am Rohr halten und dadurch eine sonst deutliche Verringerung des Wirkungsgrades am Ende des Rotors verhindern. Der Rotor wird durch elektrischen Antrieb mit einer an die herrschende Windgeschwindigkeit angepassten Geschwindigkeit gedreht.

Prinzip

Magnus-Effekt am Flettner-Rotor

Kräfte am Rotor

• Ein angeströmter starrer Zylinder würde nur durch den Windwiderstand der projizierten Fläche Kraft erzeugen, und zwar in Strömungsrichtung.
• Ein rotierender Zylinder hingegen erzeugt durch den Magnus-Effekt aus Sog- und Staudruckkräften darüber hinaus eine weitaus größere und quer zur Anströmung gerichtete Ablenkungskraft.
• Ein ausschließlich mit Flettner-Rotoren ausgerüstetes Schiff muss daher ähnlich einem Segelschiff gegen den Wind aufkreuzen und bleibt bei Flaute antriebslos.

Bläst Wind gegen einen rotierenden Zylinder, so wird er beschleunigt, wo Drehsinn des Zylinders und Windrichtung zusammenkommen. Auf der gegenüberliegenden Zylinderseite wird er abgebremst, strömt also langsamer. Dies erzeugt Unterdruck (schnellere Strömung) und Überdruck (verlangsamte Strömung), in Summe also eine quer zur Strömung wirkende Kraft (dynamischer Auftrieb, in der Grafik F1), ähnlich wie an einem stehenden (Flugzeug-)Tragflügel, doch mit weitaus besserem Wirkungsgrad – rund dem Zehnfachen eines Segels oder starren Tragflügels mit gleichem Windwiderstand. Diese (Teil-)Kraft wirkt in die Richtung, in der Strömungsrichtung und Drehrichtung des Körpers gleichsinnig sind, und hängt (wie letztlich die Fahrgeschwindigkeit) ab von der Anströmungsgeschwindigkeit, der Drehgeschwindigkeit des Rotors und entscheidend auch vom Verhältnis beider zueinander. Die Geschwindigkeit der Rotoroberfläche liegt oft etwa beim Drei- bis Vierfachen der Windgeschwindigkeit, um einen sehr effizienten Antrieb zu ermöglichen, was bei Schiffsantrieben bisher im Bereich von grob 100 Umdrehungen pro Minute lag.

Änderung der Drehrichtung des Rotors bewirkt die Umkehrung der dadurch erzeugten Kraftkomponente F1. In jedem Fall aber wirkt eine zweite Kraftkomponente, die aus dem Widerstand entsteht, in Strömungsrichtung: F2. Die Summe (Resultierende R) dieser beiden Teilkräfte wird genutzt.

Die durch die Rotation erzeugten, quer zum Wind wirkenden Antriebskräfte der Rotoren leisten, wie normale Segel, keinen Vortrieb bei Im-Wind-Kursen und, im Gegensatz zu normalen Segeln, auch nicht bei Kursen vor dem Wind. Die Drehzahl des Rotors muss mit der Windgeschwindigkeit gesteigert werden, so dass bei hoher Windenergie auch hohe Antriebsenergie für die Rotoren bereitzustellen ist, jedoch bei geringer Windenergie ein verhältnismäßig größerer Aufwand für das Betreiben der Rotoren anfällt.

Verwendung

Der Flettner-Rotor wurde lange Zeit nur bei experimentellen Booten, Schiffen und Flugzeug-Prototypen eingesetzt. Rotorschiffe wurden zuerst während der 1920er Jahre und von Flettner selbst entwickelt, konnten sich allerdings nicht durchsetzen und verloren in den Jahren nach 1930 den wirtschaftlichen Konkurrenzkampf gegen Wärmekraftmaschinen (Dampfmaschinen und -turbinen, Dieselmotoren) in gleichem Maße wie die Segelantriebe.

Erst Anfang der 1980er Jahre ließ Jacques-Yves Cousteau ein Forschungsschiff mit vom Flettner-Antrieb abgeleiteten Zylindern bauen, die als Zusatzantrieb wirken: die Alcyone. Am 2. August 2008 lief in Kiel das E-Ship 1 vom Stapel, das echte Flettner-Rotoren in bisher nicht genutzter Größe verwendet.

Schiffe

MS Buckau, 1924, erstes Schiff mit Flettner-Rotoren

• Buckau (später umbenannt in Baden-Baden)
  Mit dem bei der Germaniawerft Kiel zum Rotorschiff umgebauten Dreimastschoner „Buckau“ sammelte Flettner erste praktische Erfahrungen mit der von ihm entwickelten neuartigen Antriebsart. Die Buckau, die 1924 mit zwei Rotoren zu ihrer Probefahrt auslief, wurde bei Windstille und eingeschränktem Fahrwasser durch einen Hilfsmotor, der auf einen Propeller wirkte, angetrieben. Nach verschiedenen Tests unter variablen Wetterbedingungen erreichte Flettners Rotorschiff, nun umbenannt in „Baden-Baden“, nach einer erfolgreichen Atlantiküberquerung am 9. Mai 1926 New York.

• Barbara
  Für die Rob. M. Sloman jr. Reederei in Hamburg wurde am 28. Juli 1926 die bei der AG „Weser“-Werft Bremen gebaute, 2077 BRT große und 87 Meter lange Barbara in Dienst gestellt. Im Auftrag der Reichsmarine wurde das Frachtschiff mit drei Flettner-Rotoren als Zusatzantrieb ausgerüstet. Es kreuzte bei Windgeschwindigkeiten um Beaufort 4 mit 4 Knoten Geschwindigkeit gegen den Wind, vor dem Wind kreuzte das Schiff angeblich sogar mit 9 Knoten. Dennoch verloren Flettner-Rotoren in den Jahren nach 1930 den wirtschaftlichen Konkurrenzkampf gegen rein maschinelle Antriebe in gleichem Maße wie die Segelantriebe selbst.

• Alcyone (Forschungsschiff von J. Cousteau)
  Der französische Ozeanograph Jacques-Yves Cousteau ließ Anfang der 1980er Jahre die Alcyone planen und bauen. Dieses Schiff verfügt über einen Turbovoile (franz.) oder Turbosail (engl.) genannten Antrieb, der ebenfalls den Magnus-Effekt ausnutzt.
  Das Schiff ging 1985 auf Jungfernfahrt und ist immer noch für die Cousteau Society unterwegs.
  Die aus den beiden Zylindern gewonnene Antriebsenergie wird ausschließlich zur Unterstützung des Schraubenantriebs verwendet und kann etwa 25–30 % der Gesamtantriebsleistung ausmachen. Cousteaus Patent hat einen geringeren Wirkungsgrad als der Flettner-Rotor, kommt aber ohne die technisch aufwändige Zylinderrotation aus und wiegt dadurch weniger. Statt durch Rotation wird der Magnus-Effekt der Turbosails durch eine Absaugung der Grenzströmung entlang der Zylinderseiten bewirkt.

• Calypso II
  Die Calypso II sollte nach Cousteaus Vorstellung einen echten Flettner-Antrieb erhalten. Das Schiff ist nach dem Tod Cousteaus nicht mehr gebaut worden.

• Uni-Kat Flensburg
  Die Uni-Kat Flensburg wurde am Institut für Physik und Chemie und ihre Didaktik an der Universität Flensburg unter Professor Lutz Fiesser im Rahmen des Projekts PROA entwickelt. Die Schiffstaufe fand auf der Flensburg Nautics 2006 statt.

• fletmag
  Der fletmag wurde 2007 als Diplomarbeit an der Fachhochschule in Hannover entwickelt. Es handelt sich um einen Schiffsdesignentwurf, bei dem der Hauptrotor in verschiedenen Winkelstellungen benutzt werden kann, was der Optik und der Wirkkraftrichtung zugute kommt.

Zwei der vier Flettner-Rotoren der E-Ship 1

• E-Ship 1
  2006 gab der Windenergieanlagenhersteller Enercon bei der Kieler Lindenau-Werft Konstruktion und Bau eines 130 m langen Frachtschiffes in Auftrag, das neben einem dieselelektrischen Hauptantrieb über vier Flettner-Rotoren verfügt. Stapellauf war am 2. August 2008. Aufgrund der zwischenzeitlichen Insolvenz von Lindenau wurde der Rumpf von „E-Ship 1“ nach Emden überführt und dort in der Cassens-Werft fertiggestellt. Der Laderaum wurde speziell für den Transport von Teilen von Windenergieanlagen (ohne die Türme) des Eigentümers Enercon ausgestattet. Am 9. August 2010 war die Jungfernfahrt des „E-Ship 1“ von Emden nach Dublin.^[1] Im Oktober 2010 sollten die Einsparungen im Treibstoffverbrauch bei einer Mittelmeerfahrt ermittelt werden.^[2]

• Cloudia
  Die Cloudia (Bild) ist ein Trimaran zur Erprobung des Flettnerantriebs; sie ist mit je einem 5 m und einem 6 m hohen Flettner-Rotor bestückt. Sie entstand im Rahmen eines Forschungsprojektes unter der Leitung des britischen Wissenschaftlers Steven Salter von der Universität Edinburgh, der Hunderte solcher vollautomatischer Schiffe zur Bekämpfung der Erderwärmung einsetzen will. Dabei soll durch große Mengen künstlich versprühten Meereswassers die Strahlungsreflexion an den Wolken verstärkt werden, sodass ein größerer Teil der einfallenden Sonneneinstrahlung wieder in den Weltraum zurückgeworfen wird und somit nicht erwärmend auf der Erde wirken kann. Die Technik der Flettner-Rotoren wird genutzt, da sie einfacher zu bedienen sind als eine Takelage und komplett mit Strom aus Solarzellen betrieben werden können.^[3][4]

Siehe auch

• Flettner-Doppelrotor für Hubschrauber
• Rotorflugzeug
• Flettner-Klappe für Flugzeuge
• SkySails
• Windenergie

Literatur

• Anton Flettner: Mein Weg zum Rotor, Köhler & Amelang, Leipzig 1926
• Emo Descovich: Flettners Ruder, Segel und Rotor: Ein volkstümlicher Erklärungsversuch. Österreichischer Bundesverlag für Unterricht, Wissenschaft und Kunst, Wien 1925
• Josef Esser: Das Flettner-Schiff. G. D. Baedeker, Essen 1925
• Kurt Graffstädt: Die Flettner-Rotoren in allgemein-verständlicher Form. Polytechnische Verlagsgesellschaft M. Hittenkofer, Strelitz in M. 1925
• Das Flettner-Schiff. In: Marine-Rundschau. Zeitschrift für Seewesen 1924, S. 361–371, ISSN 0025-3294
• Felix von König: Windkraft vom Flettnerrotor: Boote, Jachten, Schiffe und Windräder mit Rotoren. Pfriemer, München 1980, ISBN 3-7906-0095-4
• C. Wagner: Weiterentwicklung des Flettner-Rotors zum modernen Windzusatzantrieb. (BMFT-Bericht MTK 03084, 2 Bände) Blohm + Voss, Hamburg 1985
• Ekkehard Büge: Untersuchungen an einem Flettner-Rotorenpaar. Universität Hamburg: Diplomarbeit 1986.
• Claus D. Wagner: Die Segelmaschine. Kabel Verlag, Hamburg 1991, ISBN 3-8225-0158-1
• Uwe Greve: Buckau und Barbara. Das Experiment der Rotorschiffe (= Schiffe-Menschen-Schicksale, Nr. 20, Jahrgang 3). DBM-Media-KG, Berlin 1995.
• Christian Mähr: Vergessene Erfindungen. 2002, ISBN 3-8321-7816-3
• Frank Grotelüschen: Drehmoment: Anton Flettner gelingt 1924, wovon alle Segler träumen: Sein Rotorschiff segelt gegen den Wind. In: Mare – die Zeitschrift der Meere, 2004, 45, S. 38–41. Dreiviertel-Verlag, Hamburg 2004, ISSN 1432-928X, Artikelauszug bei mare.de
• Eigel Wiese: Volles Rohr. In: Deutsche Seeschifffahrt, Heft 3/2010, S. 50–53, Storck-Verlag, Hamburg 2010, ISSN 0948-9002
• K.-H. Hochhaus: STG-Sprechtag »Innovative Schiffe« in Kiel. In: Hansa Heft 4/2010, S. 44–47, Schiffahrts-Verlag Hansa, Hamburg 2010, ISSN 0017-7504
• Reiner Höhndorf: Flettner-Rotor-Schiff. R. Höhndorf, Gadebuscher Str. 270a, Schwerin 2004.
• Deutsches Patent 420840 bzw. US Patent 1674169
• Deutsche Gebrauchsmuster 20 2007 009 278.4 und 20 2007 009 279.2

Weblinks

 Commons: Flettner-Rotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Private Seite zum Flettner- und Savonius-Rotor (und weiteren)
• „Das Flettner-Schiff“, Manuskript Albert Einsteins von 1925, Einstein Archives Online
• windschiffe.de – Windantrieb für Handelsschiffe
• Können moderne Frachtschiffe wieder mit Wind fahren? DLR-Blog
• Bericht über die Taufe der Uni-Kat Flensburg in der Sendereihe Forschung Aktuell des Deutschlandfunks
• Frank Grotelüschen: Litfaßsäule als Segel: Der Flettner-Rotor in der Sendereihe Forschung Aktuell des Deutschlandfunks
• Innovationsstiftung Schleswig-Holstein » Drehmomente auf dem Wasser
• Säulen als Segel – Wind treibt ein Schiff mit Flettner-Rotoren voran, Nano (3sat) am 21. September 2010

Einzelnachweise

1. ↑ Ostfriesische Nachrichten, 9. August 2010
2. ↑ FAZ, 12. Oktober 2010, Seite T5
3. ↑ Artikel auf Spiegel Online – Wissenschaft
4. ↑ Project Brighter World westsystem.com; 4. Rotor lift and drag rsta.royalsocietypublishing.org, abgerufen am 22. April 2010