A famosa série de documentários The Cousteau Team's Underwater Odyssey foi filmada pelo grande oceanógrafo francês nas décadas de 1960-1970. O navio principal de Cousteau foi então convertido do caça-minas britânico "Calypso". Mas em um dos filmes subsequentes - "Rediscovery of the World" - outro navio apareceu, o iate "Alcyone".
Olhando para ele, muitos espectadores se perguntam: o que são esses canos estranhos instalados no iate?.. Talvez sejam canos de caldeiras ou sistemas de propulsão?
Imagine o seu espanto se descobrir que estas são VELAS … turbosails …
O fundo Cousteau adquiriu o iate "Alkion" em 1985, e este navio foi considerado não tanto como um navio de pesquisa, mas como uma base para estudar a eficiência das turbosails - o sistema de propulsão original do navio. E quando, 11 anos depois, o lendário "Calypso" naufragou, o "Alcyona" tomou seu lugar como o navio principal da expedição (aliás, hoje o "Calypso" foi erguido e está em estado de semi-saque no porto de Concarneau).
Na verdade, a turbosail foi inventada por Cousteau. Além de equipamento de mergulho, um disco subaquático e muitos outros dispositivos para explorar as profundezas do mar e a superfície dos oceanos. A ideia nasceu no início dos anos 1980 e era criar o sistema de propulsão mais ecológico, mas ao mesmo tempo conveniente e moderno para aves aquáticas. O uso da energia eólica parecia ser a área de pesquisa mais promissora. Mas aqui está o azar: a humanidade inventou uma vela milhares de anos atrás, e o que poderia ser mais simples e lógico?
Claro, Cousteau e sua empresa entenderam que era impossível construir um navio movido exclusivamente a vela. Mais precisamente, talvez, mas seu desempenho de direção será muito medíocre e dependente dos caprichos do tempo e da direção do vento. Portanto, estava originalmente planejado que a nova “vela” fosse apenas uma força auxiliar, aplicável para auxiliar os motores diesel convencionais. Ao mesmo tempo, um turbosail reduziria significativamente o consumo de óleo diesel e, em um vento forte, poderia se tornar a única propulsão do navio. E o olhar da equipe de pesquisa voltou-se para o passado - para a invenção do engenheiro alemão Anton Flettner, o famoso projetista de aeronaves que deu uma contribuição significativa para a construção naval.
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A vela turbo é um cilindro oco equipado com uma bomba especial. A bomba cria um vácuo em um lado da turbosail, bombeando ar para dentro da vela, o ar externo começa a fluir ao redor da turbosail em diferentes velocidades e o navio começa a se mover em uma direção perpendicular à pressão do ar. Isso é muito semelhante à sustentação atuando na asa de um avião - a pressão da parte inferior da asa é maior e o avião empurra para cima. A vela turbo permite que o navio se mova contra qualquer vento, desde que haja potência de bomba suficiente. É usado como sistema auxiliar para um motor marítimo convencional. Duas turbosails instaladas no navio da equipe Cousteau "Alkion" possibilitaram economizar até 50% de combustível.
Rotor de Flettner e o efeito Magnus
Em 16 de setembro de 1922, Anton Flettner recebeu uma patente alemã para o chamado navio rotativo. E em outubro de 1924, um navio rotativo experimental Buckau deixou os estoques da empresa de construção naval Friedrich Krupp em Kiel. É verdade que a escuna não foi construída do zero: antes da instalação dos rotores de Flettner, era uma embarcação à vela comum.
A ideia de Flettner era usar o chamado efeito Magnus, cuja essência é a seguinte: quando uma corrente de ar (ou líquido) flui ao redor de um corpo em rotação, é gerada uma força perpendicular à direção do fluxo e que atua no corpo. O fato é que um objeto em rotação cria um movimento de vórtice ao seu redor. Do lado do objeto, onde a direção do vórtice coincide com a direção do fluxo de líquido ou gás, a velocidade do meio aumenta e, do lado oposto, diminui. A diferença de pressão cria uma força de cisalhamento direcionada do lado onde a direção de rotação e a direção do fluxo são opostas, para o lado onde elas coincidem.
"O navio de vento de Flettner está na boca de todos graças à propaganda de jornal extraordinariamente zelosa", escreveu Louis Prandtl em seu artigo sobre o desenvolvimento de um engenheiro alemão.
Esse efeito foi descoberto em 1852 pelo físico berlinense Heinrich Magnus.
Efeito Magnus
O engenheiro aeronáutico alemão e inventor Anton Flettner (1885 a 1961) entrou para a história da navegação como um homem que tentava substituir as velas. Ele teve a chance de viajar por um longo tempo em um veleiro pelos oceanos Atlântico e Índico. Muitas velas foram postas nos mastros dos navios à vela daquela época. O equipamento de navegação era caro, complexo e aerodinamicamente não muito eficiente. Perigos constantes aguardam os marinheiros, que, mesmo durante uma tempestade, tiveram que navegar a 40-50 metros de altura.
Durante a viagem, o jovem engenheiro teve a ideia de substituir as velas, que exigem mais esforço, por um dispositivo mais simples, mas eficaz, cuja principal propulsão seria também o vento. Ponderando isso, ele se lembrou de experimentos aerodinâmicos conduzidos por seu físico compatriota Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Eles descobriram que quando um cilindro gira em um fluxo de ar, uma força transversal surge com uma direção que depende da direção de rotação do cilindro (efeito Magnus).
Um de seus experimentos clássicos era assim: “Um cilindro de latão pode girar entre dois pontos; a rotação rápida do cilindro foi transmitida, como em um topo, por uma corda. O cilindro giratório foi colocado em uma estrutura, que, por sua vez, poderia ser facilmente girada. Um forte jato de ar foi enviado para este sistema usando uma pequena bomba centrífuga. O cilindro desviou-se na direção perpendicular à corrente de ar e ao eixo do cilindro, além disso, na direção da qual as direções de rotação e o jato eram as mesmas "(L. Prandtl" Magnus Effect and a Wind Ship ", 1925).
A. Flettner pensou imediatamente que as velas poderiam ser substituídas por cilindros giratórios instalados no navio.
Acontece que onde a superfície do cilindro se move contra o fluxo de ar, a velocidade do vento diminui e a pressão aumenta. Do outro lado do cilindro, o oposto é verdadeiro - a taxa de fluxo de ar aumenta e a pressão diminui. Essa diferença de pressão de diferentes lados do cilindro é a força motriz que faz o vaso se mover. Este é o princípio básico do equipamento rotativo que usa a força do vento para mover a embarcação. Tudo é muito simples, mas apenas A. Flettner "não passou", embora o efeito Magnus seja conhecido há mais de meio século.
Ele começou a implementar o plano em 1923 em um lago perto de Berlim. Na verdade, Flettner fez uma coisa bem simples. Ele instalou um rotor-cilindro de papel com cerca de um metro de altura e 15 cm de diâmetro em um barco de teste de um metro de comprimento e adaptou um mecanismo de relógio para girá-lo. E o barco partiu.
Os capitães dos navios à vela zombavam dos cilindros de A. Flettner, com os quais ele queria substituir as velas. O inventor conseguiu atrair o interesse de ricos mecenas de arte com sua invenção. Em 1924, em vez de três mastros, dois cilindros de rotor foram instalados na escuna de 54 metros "Buckau". Esses cilindros eram movidos por um gerador a diesel de 45 HP.
Os rotores do Bucau eram movidos por motores elétricos. Na verdade, não houve diferença dos experimentos clássicos de Magnus no design. Do lado, onde o rotor girava contra o vento, foi criada uma área de aumento de pressão, do lado oposto, uma área de baixa pressão. A força resultante é o que impulsionou o navio. Além disso, essa força era cerca de 50 vezes maior do que a força da pressão do vento em um rotor estacionário!
Isso abriu grandes perspectivas para Flettner. Entre outras coisas, a área do rotor e sua massa eram várias vezes menores do que a área da plataforma de navegação, o que daria a mesma força motriz. O rotor era muito mais fácil de controlar e muito barato de fabricar. De cima, Flettner cobriu os rotores com planos de placas - isso aumentou a força motriz em cerca de duas vezes devido à orientação correta dos fluxos de ar em relação ao rotor. A altura e o diâmetro ideais do rotor para o "Bukau" foram calculados soprando um modelo da futura embarcação em um túnel de vento.
Turbo vela Cousteau - Para 2011, o Alkiona é a única embarcação no mundo com turboaille Cousteau. A morte do grande oceanógrafo em 1997 pôs fim à construção do segundo navio, Calypso II, e outros construtores temem o design incomum …
O rotor de Flettner provou ser excelente. Ao contrário de um veleiro normal, um navio rotativo praticamente não temia o mau tempo e os fortes ventos laterais, podendo facilmente navegar alternando amuras a um ângulo de 25º em relação ao vento contrário (para uma vela normal o limite é cerca de 45º). Dois rotores cilíndricos (altura de 13,1 m, diâmetro de 1,5 m) possibilitaram equilibrar perfeitamente o navio - ele se mostrou mais estável do que o veleiro que era o Bukau antes da reestruturação. Os testes foram realizados com calmaria e tempestade, e com sobrecarga deliberada - e nenhuma falha grave foi identificada. O mais vantajoso para o movimento da embarcação era a direção do vento exatamente perpendicular ao eixo da embarcação, e a direção do movimento (para frente ou para trás) era determinada pelo sentido de rotação dos rotores.
Em meados de fevereiro de 1925, a escuna "Buckau", equipada com os rotores de Flettner em vez das velas, partiu de Danzig (hoje Gdansk) para a Escócia. O tempo estava ruim e a maioria dos veleiros não ousava sair dos portos. No Mar do Norte, o Buckau teve que lidar seriamente com ventos fortes e ondas grandes, mas a escuna adernou menos do que outros veleiros encontrados.
Durante a viagem, não foi necessário chamar os tripulantes ao convés para trocar as velas em função da força ou direção do vento. Bastava um navegador do relógio que, sem sair da casa do leme, pudesse controlar a atividade dos rotores. Anteriormente, a tripulação de uma escuna de três mastros era composta por pelo menos 20 marinheiros, após sua conversão em navio rotativo bastavam 10 pessoas.
No mesmo ano, o estaleiro lançou as bases para o segundo navio rotativo - o poderoso navio de carga "Barbara", impulsionado por três rotores de 17 metros. Ao mesmo tempo, um pequeno motor com capacidade de apenas 35 cv era suficiente para cada rotor. (na velocidade máxima de rotação de cada rotor 160 rpm)! O empuxo do rotor era equivalente ao de uma hélice acionada por hélice acoplada a um motor a diesel de navio convencional com capacidade de cerca de 1000 cv. Porém, o navio também contava com motor diesel: além dos rotores, acionava uma hélice (que permanecia o único dispositivo de propulsão em caso de tempo calmo).
Experimentos promissores levaram a empresa de navegação Rob. M. Sloman de Hamburgo a construir o navio Barbara em 1926. Foi planejado com antecedência equipar turbosails - os rotores de Flettner. Em uma embarcação de 90 m de comprimento e 13 m de largura, foram montados três rotores com altura de cerca de 17 m.
Barbara transporta frutas com sucesso da Itália para Hamburgo há algum tempo, conforme planejado. Aproximadamente 30–40% do tempo da viagem, o navio estava navegando devido à força do vento. Com um vento de 4-6 pontos "Barbara" desenvolveu uma velocidade de 13 nós.
Foi planejado para testar o navio rotativo em viagens mais longas no Oceano Atlântico.
Mas no final dos anos 1920, a Grande Depressão aconteceu. Em 1929, a empresa charter recusou-se a continuar alugando o Barbara e foi vendida. O novo proprietário removeu os rotores e converteu o navio de acordo com o esquema tradicional. Ainda assim, o rotor era inferior às hélices de parafuso em combinação com uma usina a diesel convencional devido à sua dependência do vento e certas limitações de potência e velocidade. Flettner se voltou para uma exploração mais promissora e Baden-Baden afundou durante uma tempestade no Caribe em 1931.
E eles se esqueceram das velas rotativas por muito tempo …
O início dos vasos rotativos, ao que parece, foi bem sucedido, mas eles não receberam desenvolvimento e foram esquecidos por muito tempo. Por quê? Primeiro, o "pai" dos navios rotativos A. Flettner mergulhou na criação de helicópteros e deixou de se interessar pelo transporte marítimo. Em segundo lugar, apesar de todas as suas vantagens, os navios rotativos continuaram a ser navios a vela com as desvantagens inerentes, a principal das quais é a dependência do vento.
Os rotores de Flettner voltaram a se interessar pelos anos 80 do século XX, quando os cientistas começaram a propor várias medidas para mitigar o aquecimento do clima, reduzir a poluição e usar mais racionalmente o combustível. Um dos primeiros a se lembrar deles foi o explorador francês Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Para testar o funcionamento do sistema turbosail e reduzir o consumo de combustível, o catamarã de dois mastros "Alcyone" (Alcyone - filha do deus dos ventos Éolo) foi convertido em uma embarcação rotativa. Partiu em 1985, ele viajou para o Canadá e a América, circundou o Cabo Horn, contornou a Austrália e Indonésia, Madagascar e África do Sul. Ele foi transferido para o Mar Cáspio, onde navegou por três meses, fazendo vários estudos. Alcyone ainda usa dois sistemas de propulsão diferentes - dois motores diesel e duas turbosails.
Cousteau turbo-vela
Os veleiros foram construídos ao longo do século XX. Nos navios modernos deste tipo, o armamento da vela é dobrado com o auxílio de motores elétricos, novos materiais permitem clarear significativamente a estrutura. Mas um veleiro é um veleiro, e a ideia de usar a energia eólica de uma forma radicalmente nova está no ar desde os dias de Flettner. E ela foi resgatada pelo incansável aventureiro e explorador Jacques-Yves Cousteau.
Em 23 de dezembro de 1986, após o lançamento do Alcyone mencionado no início do artigo, Cousteau e seus colegas Lucien Malavar e Bertrand Charier receberam a patente conjunta US4630997 para "um dispositivo que cria força pelo uso de um líquido ou gás em movimento". A descrição geral é a seguinte: “O dispositivo é colocado em um ambiente que se move em uma determinada direção; isso cria uma força agindo em uma direção perpendicular à primeira. O dispositivo evita o uso de velas maciças em que a força motriz é proporcional à área da vela. " Qual é a diferença entre a vela turbo de Cousteau e a vela rotativa de Flettner?
Em seção transversal, uma turbosail é algo como uma queda alongada arredondada a partir da extremidade afiada. Nas laterais da "queda" existem grades de entrada de ar, por uma das quais (dependendo da necessidade de avançar ou recuar) o ar é aspirado. Para a sucção mais eficiente do vento na entrada de ar, um pequeno ventilador acionado por um motor elétrico é instalado na vela turbo.
Ele aumenta artificialmente a velocidade do movimento do ar a sotavento da vela, sugando o fluxo de ar no momento de sua separação do plano da turbo-vela. Isso cria um vácuo em um lado da vela turbo, evitando a formação de vórtices turbulentos. E então o efeito Magnus atua: rarefação de um lado, como resultado - uma força transversal capaz de colocar o navio em movimento. Na verdade, uma turbosail é uma asa de aeronave posicionada verticalmente, pelo menos o princípio de criação de uma força propulsiva é semelhante ao princípio de criação de um elevador de aeronave. Para garantir que a turbosail esteja sempre virada para o vento na direção mais vantajosa, ela é equipada com sensores especiais e instalada em uma mesa giratória. A propósito, a patente Cousteau implica que o ar pode ser sugado de dentro da turbosail não apenas por um ventilador, mas também, por exemplo,bomba de ar - Cousteau fechou a porta para os "inventores" subsequentes.
Na verdade, pela primeira vez, Cousteau testou um protótipo de uma vela turbo no catamarã Moulin à Vent em 1981. O maior sucesso de navegação do catamarã foi uma viagem de Tânger (Marrocos) a Nova York sob a supervisão de um navio de expedição maior.
E em abril de 1985, no porto de La Rochelle, foi lançado o Alcyone, o primeiro navio completo equipado com turbosails. Agora ela ainda está em movimento e hoje é a nau capitânia (e, de fato, o único grande navio) da flotilha Cousteau. As velas turbo nele não são o único motor, mas ajudam o usual acoplamento de dois motores diesel e várias hélices (o que, aliás, permite reduzir o consumo de combustível em cerca de um terço). Se o grande oceanógrafo estivesse vivo, provavelmente teria construído vários outros navios semelhantes, mas o entusiasmo de seus associados após a partida de Cousteau diminuiu visivelmente.
Pouco antes de sua morte em 1997, Cousteau estava trabalhando ativamente no projeto do navio "Calypso II" com uma vela turbo, mas não conseguiu concluí-lo. Segundo as últimas informações, no inverno de 2011, o "Alcyona" esteve no porto de Caen à espera de uma nova expedição.
Flettner de novo
Hoje, tentativas estão sendo feitas para reviver a ideia de Flettner e tornar as velas rotativas convencionais. Por exemplo, a famosa empresa de Hamburgo Blohm + Voss, após a crise do petróleo de 1973, começou o desenvolvimento ativo de um petroleiro rotativo, mas em 1986, fatores econômicos cobriram este projeto. Depois, houve uma série de projetos amadores.
Em 2007, estudantes da Universidade de Flensburg construíram um catamarã movido por uma vela rotativa (Uni-cat Flensburg).
Em 2010, surgiu o terceiro navio com velas rotativas - o caminhão pesado E-Ship 1, construído para a Enercon, uma das maiores fabricantes de turbinas eólicas do mundo. Em 6 de julho de 2010, o navio foi lançado pela primeira vez e fez uma curta viagem de Emden a Bremerhaven. E em agosto, ele fez sua primeira viagem de trabalho à Irlanda com uma carga de nove turbinas eólicas. A embarcação está equipada com quatro rotores Flettner e, claro, um sistema de propulsão tradicional em caso de calma e para potência adicional. Mesmo assim, as velas rotativas servem apenas como hélices auxiliares: para um caminhão de 130 metros, sua potência não é suficiente para desenvolver a velocidade adequada. Os motores são nove usinas de energia Mitsubishi, e os rotores são girados por uma turbina a vapor Siemens,usando a energia dos gases de escape. As velas giratórias economizam de 30 a 40% de combustível a uma velocidade de 16 nós.
Mas o turbosail de Cousteau ainda está esquecido: o Alcyone é atualmente o único navio em tamanho real com este tipo de propulsão. A experiência dos construtores navais alemães mostrará se faz sentido continuar a desenvolver o tema das velas operando no efeito Magnus. O principal é encontrar uma justificativa econômica para isso e comprovar sua eficácia. E aí, você vê, todo o transporte marítimo mundial seguirá o princípio que um talentoso cientista alemão descreveu há mais de 150 anos.
No Mar do Norte em 2010, você pode ver o estranho navio "E-Ship 1". No convés superior há quatro chaminés altas e arredondadas, mas a fumaça nunca sai delas. São os chamados rotores Flettner, que substituíram as velas tradicionais.
Em 2 de agosto de 2010, o maior fabricante mundial de usinas eólicas Enercon lançou no estaleiro Lindenau, em Kiel, um navio rotativo de 130 metros com largura de 22 m, que mais tarde foi denominado E-Ship 1. Em seguida, foi testado com sucesso nos mares do Norte e Mediterrâneo, e atualmente está transportando geradores eólicos da Alemanha, onde são produzidos, para outros países europeus. Desenvolve uma velocidade de 17 nós (32 km / h), transporta simultaneamente mais de 9 mil toneladas de carga, sua tripulação é de 15 pessoas.
A empresa de navegação Wind Again, com sede em Cingapura, uma tecnologia de redução de combustível e emissão, oferece rotores Flettner (dobráveis) especialmente projetados para petroleiros e navios de carga. Eles reduzirão o consumo de combustível em 30-40% e terão retorno em 3-5 anos.
A empresa finlandesa de engenharia naval Wartsila já está planejando adaptar seus turbosails em balsas de cruzeiro. Isso se deve ao desejo do operador de balsas finlandês Viking Line de reduzir o consumo de combustível e a poluição ambiental.
O uso de rotores Flettner em embarcações de recreio está sendo estudado pela Universidade de Flensburg (Alemanha). O aumento dos preços do petróleo e o aquecimento climático alarmante parecem ser condições favoráveis para o retorno das turbinas eólicas.
O iate projetado por John Marples "Cloudia" é um trimarã Searunner 34 reconstruído. O iate foi testado pela primeira vez em fevereiro de 2008 em Fort Pierce, Flórida, EUA, e sua criação foi financiada pelo canal Discovery. "Claudia" provou ser incrivelmente manobrável: ela parou e ligou a ré em questão de segundos, movendo-se livremente em um ângulo de cerca de 15 ° com o vento. Uma melhoria notável no desempenho em relação ao rotor Flettner tradicional se deve aos discos transversais adicionais montados nos rotores trimarã dianteiro e traseiro.
