Grote zeilschepen

Onderwerp: Arbeid en energie

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

De Internationale Maritieme Organisatie (IMO) heeft in 2020 bepaald dat de uitstoot van broeikasgassen door de scheepvaart (momenteel zo’n 2 procent van het totaal, net als de luchtvaart) tegen 2050 gehalveerd zijn. Met 50 duizend schepen in een groeiende transportmarkt is dat een complexe opgave. Volgens een recent rapport van de IMO ligt er weer een rol in het verschiet voor zeilende  schepen.
Uit simulaties van het onderzoeksbureau CE Delft en de TU Delft blijkt dat winst vooral te behalen is bij relatief trage schepen. Denk aan bulkcarriers, dat zijn grote vrachtschepen. Deze   zouden tussen de 17 en 24% aan brandstof kunnen besparen met rotorzeilen of vaste zeilen.

Er zijn drie ontwerpen in ontwikkeling, die hieronder aan de orde komen.

Dynarig

Geïnspireerd door de 19e-eeuwse  zeilschepen bedacht de Duitse ingenieur Wilhelm PrölB in de jaren zestig van de twintigste eeuw een scheepstype dat Dynarig genoemd wordt. Een Nederlandse scheepsbouwer wil een Dynarig vrachtschip bouwen, met een aantal zeilen in de vorm van een vliegtuigvleugel (zie figuur 1). De wind stroomt hierbij langs beide kanten van het zeil  (zie figuur 2).

a) Leg uit waardoor er aan de bolle kant (zijde B de lijzijde) een kleinere druk van de lucht ontstaat en aan de holle kant (zijde A de loefzijde) een lagere druk.

Aan de bolle kant van het zeil (de lijzijde B) stroomt de lucht met een hogere snelheid en heeft dientengevolge een lagere druk. Aan de holle kant van het zeil (de loefzijde A) wordt de lucht samengedrukt en ontstaat een hogere druk.

b) Leg uit dat dit resulteert in een voorwaartse kracht op het zeil, aangegeven met pijl F.

Er ontstaat een drukverschil op het hele zeil met oppervlakte A. Dit levert een (netto) kracht F op het zeil.

c) Hoe heet de natuurkundige wet die dit beschrijft ?

De wet van Bernoulli.

Turbozeil

Een andere toepassing van de vliegtuigvleugel is terug te vinden in het Turbozeil.

Eén of meer draaibare holle masten met een vleugelprofiel staan hierbij op een schip (zie figuur 3). Bij het turbozeil wordt aan de lijzijde (zijde B in figuur 2) van het profiel via gaatjes lucht weggezogen door een ventilator in de mast. De lucht wordt aan de bovenkant weer weggeblazen (zie figuur 4).

d) Leg uit waarom het wegzuigen van de lucht aan de lijzijde het vliegtuigvleugeleffect versterkt.

Door het wegzuigen van de lucht aan lijzijde wordt de druk daar nog lager en het drukverschil groter dan wanneer de lucht niet werd weggezogen.

e) Geef een reden waarom men dit niet kan toepassen bij vliegtuigen, maar wel bij vrachtschepen.

Bij vliegtuigen is de snelheid zo hoog dat het wegzuigen heel veel energie zou kosten en het effect teniet gedaan wordt.

Flettnerschip

Een Flettnerschip is voorzien van cilinders die draaien om een staande as (zie figuren 5 en 6). Het zogenaamde Magnuseffect dat dan optreedt zet zijwind om in een voorwaartse kracht. De techniek is vernoemd naar de Duitse luchtvaartingenieur Anton Flettner. Een tanker van rederij Maersk is voorzien van zo’n systeem en het levert 8,2% minder brandstofverbruik op.