De baai van San Francisco had de primeur van ‘s werelds eerste vliegende zeilboot. Dat was in 2013, voor de 34e editie van de America’s cup – de meest prestigieuze zeilwedstrijd ter wereld. Het Oracle-team deed mee met een 22 meter lang vaartuig, dat over het water kon vliegen dankzij draagvleugels. Vleugelachtige platforms die aan de onderkant van de romp zijn bevestigd. Sindsdien zijn meer boten ze gaan gebruiken. Nu heeft een Zweeds team van wetenschappers en technici een methode gevonden om ze zo efficiënt mogelijk te ontwerpen, zodat schepen hun brandstofverbruik met maar liefst tachtig procent kunnen terugdringen.
De Chalmers University of Technology en SSPA – een maritiem kennisbedrijf – sloegen de handen ineen om onderzoek te doen naar de interactie van draagvleugels met vloeistoffen. Na anderhalf jaar van studies en tests vonden ze een methode waarmee ze betere scheepsvleugels konden ontwerpen. De hydrofoil-technologie is niet nieuw. De oorsprong ervan gaat terug tot de jaren zestig toen ze nog van staal waren. Het gewicht van het materiaal en het onderhoud dat het vergt, belemmerden echter de massale toepassing ervan. De huidige draagvleugels zijn gemaakt van koolstofvezel, een lichter maar resistent alternatief.
Minder energie
Laura Marimon Giovannetti – voormalig lid van het Britse zeilteam – is senior onderzoeker bij SSPA. “Hydrofoils zijn vergelijkbaar met vliegtuigvleugels, maar ze zijn kleiner omdat ze in water hun werk doen. Water is duizend keer dichter dan de lucht. Ze zijn ontworpen om de zogenaamde opstijgsnelheid te bereiken, waarbij de romp uit het water wordt getild. Op dat punt is de enige weerstand de weerstand van de draagvleugel.”
Vermindering van deze weerstand verbetert de efficiëntie van een vaartuig. Hoe kleiner de kracht die het moet tegenwerken, hoe lager de hoeveelheid energie die het nodig heeft om te varen. Huidige en toekomstige navigatietechnologieën kunnen dus gebruik maken van het Zweedse model, omdat ze weten wat ze van dit belangrijke onderdeel en uiteindelijk van de boot zelf kunnen verwachten.
Rekenmodel
Het rekenmodel beschouwt de vleugels als een flexibel lichaam. Daarom moet het ontwerp ervoor zorgen dat in elk scenario dezelfde ‘lift’ wordt gegarandeerd. Anders kan het schip niet stabiel zijn.
“Als de vleugel wordt afgebogen, is de hoeveelheid lift die we krijgen niet dezelfde als wanneer dat niet het geval is. De boot zou dan zijn vliegvoordelen kunnen verliezen,” onderstreept Arash Eslamdoost, professor toegepaste hydrodynamica aan de Chalmers University of Technology.
De kenmerken van de boot en het laadvermogen zijn enkele van de meest cruciale aspecten die in overweging worden genomen. Naast de krachten die schepen moeten kunnen weerstaan, vormt de aard van koolstofvezel een extra uitdaging. Het materiaal bestaat uit verschillende lagen, die uiteindelijk het gedrag van de vleugel beïnvloeden. Deze factor is ook van invloed op de verhouding tussen draagkracht en draagvermogen.
Schip opnieuw uitvinden
De proeftunnel van SSPA was de belangrijkste testruimte voor de draagvleugels. Daar wordt circulerend water op de gewenste snelheid ingesteld. Hogesnelheidscamera’s registreren de beelden van de vleugel in de tunnel en meten de mate van doorbuiging in de tijd. “Op deze manier konden we alle betrokken krachten meten en de verschillende componenten in evenwicht brengen”, aldus Marimon.
De nieuwigheid van de methode ligt ook in het feit dat verschillende meettechnieken samenkomen. Omdat het om vleugels gaat, werd kennis van de luchtvaart erbij betrokken, evenals van de materiaalkunde. Maar het onderzoek aan het departement Mechanica en Maritieme Wetenschappen van Chalmers houdt hier niet op.
“Het ontwerp van draagvleugelschepen moet opnieuw worden bekeken in vergelijking met dat van conventionele schepen. Daartoe werken we ook aan de ontwikkeling van voortstuwingssystemen voor draagvleugelschepen. In een ander lopend project ontwikkelen we een zelfbalancerend systeem, dat de beweging op de boot detecteert en de vaarhoogte regelt”, legt Eslamdoost uit.
Zeilwedstrijden
De beste testomgeving blijft de open zee. Marimon zeilde vroeger in elitewedstrijden – ze voerde campagne voor de Olympische Spelen van Tokio 2020 – en ze is zich er terdege van bewust dat sport het potentieel heeft om nieuwe technologieën tot het uiterste te drijven. Soms komen zulke ontwikkelingen als een verrassing.
“Het ontwerp van de boten van 2013 was er niet op gericht dat ze zouden vliegen. Tijdens de race hebben de zeilers de boot tot het uiterste gedreven, zodat de catamaran begon te vliegen. Sindsdien kwamen er meer ontwikkelingen. Sporten brengen de vooruitgang van composietmaterialen naar voren, waardoor vezels sterker worden.”
Alternatief voor passagiersschepen
Er komen steds meer varianten van draagvleugelboten, ook voor dagelijkse toepassingen. Draagvleugelboten zullen binnenkort de Zweedse wateren aandoen. De regio Stockholm en de veerbootfabrikant Candela zijn een samenwerkingsverband aangegaan om elektrische boten in te zetten voor openbaar vervoer. De schepen zullen dit jaar de eerste passagiers vervoeren.
Als het model goed uitpakt, zouden draagvleugelboten een alternatief kunnen vormen om zowel de verkeerscongestie als de CO2-uitstoot in maritieme steden te verminderen. Naarmate de accutechnologie zich verder ontwikkelt – met lichtere laadeenheden – zal ook elektrisch varen hiervan profiteren.
