26.11.2023, 15:19
Das Armeeministerium plant eine bahnbrechende Technologie für den Antrieb von U-Booten
OPEX 360 (französisch)
von Laurent Lagneau - 26. November 2023
[Bild: https://www.opex360.com/wp-content/uploa...210701.jpg]
Um seine Missionen erfolgreich durchführen zu können, muss ein Atom-U-Boot so unauffällig wie möglich sein. Nur ist ein solches Schiff trotz der in den letzten Jahrzehnten entwickelten Innovationen noch nicht völlig geräuschlos, was auf das Kavitationsgeräusch zurückzuführen ist, das von seinem Propeller erzeugt wird. Anhand dieses Geräusches kann man seine akustische Signatur bestimmen ... und es somit identifizieren [dies ist übrigens die Aufgabe der "Goldenen Ohren" des Zentrums für akustische Interpretation und Erkennung der französischen Marine].
Um dieses Kavitationsgeräusch zu eliminieren, gibt es nur eine Lösung: keinen Propeller... Dies wäre mithilfe der Magnetohydrodynamik [MHD] möglich, die sich, um es kurz zu fassen, mit den Strömungen elektrisch leitender Flüssigkeiten in einem Magnetfeld befasst.
"Das Grundprinzip des MHD-Antriebs ist einfach. Es besteht darin, elektromagnetische Kräfte zu nutzen, um Schiffe durch Reaktionen anzutreiben. Diese Laplace-Kräfte entstehen durch die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld, das von supraleitenden Spulen erzeugt wird, und elektrischen Strömen, die im Meerwasser fließen. So wird die elektrische Energie, die von den an Bord befindlichen Generatoren geliefert wird, direkt in mechanische Energie [Arbeit der elektromagnetischen Kräfte] umgewandelt", erklärt Christophe Trophime in seiner Dissertation zu diesem Thema.
Der Forscher fügt hinzu: "Die Vorteile eines solchen Antriebssystems liegen in diesem Konzept, das es ermöglicht, alle beweglichen mechanischen Teile [Propeller, mechanische Welle usw.] und die damit verbundenen Nachteile [Kavitation, Lärm, Dichtigkeit usw.] zu eliminieren.
Während des Kalten Krieges wurde in den USA und der Sowjetunion an MHD-Antrieben für Schiffe gearbeitet. Die US-amerikanischen Forscher Stewart Way, Warren A. Rice und O.M. Phillips demonstrierten die Machbarkeit mit Versuchen an einem Modelltauchboot [3 Meter lang und 400 kg schwer] in Kalifornien. Ihre Forschungen gingen jedoch nicht weiter, da sie nicht in der Lage waren, Spulen herzustellen, die genügend Magnetfelder erzeugen konnten, um in größerem Maßstab zu arbeiten. Die Sowjets hätten jedoch ihre Bemühungen in dieser Richtung fortgesetzt, was dem Schriftsteller Tom Clancy als Vorlage für seinen Roman "Jagd auf Roter Oktober" diente.
Die Fortschritte in der Supraleitung haben die Situation jedoch verändert, da nun supraleitende Elektromagnete hergestellt werden können, die Magnetfelder von mehreren Teslas erzeugen können.
Anfang der 1992er Jahre entwickelte die japanische Ship & Ocean Foundation dank der Forschung der Universität für Handelsmarine in Kobe (Japan) und der Unterstützung von Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba und Kobe Steel die Yamato 1, den Demonstrator eines elektromagnetisch angetriebenen Schiffes. Mit einer Verdrängung von 280 Tonnen und einer Länge von 30 Metern konnte das Schiff dank eines MHD-Beschleunigers mit einer Geschwindigkeit von 8 Knoten fahren.
Dadurch wurde das Interesse der US Navy an dieser Antriebsart, insbesondere für U-Boote, wieder geweckt. Aber auch hier war die Technologie noch nicht reif, um weitere Schritte in Betracht zu ziehen, da die Spulen, die zur Erzeugung eines ausreichenden Magnetfeldes benötigt werden, für solche Schiffe noch zu schwer waren.
Im Juni letzten Jahres hat die DARPA, die Innovationsagentur des Pentagons, jedoch mit dem Projekt PUMP [Principles of Undersea Magnetohydrodynamic Pumps] die Arbeiten in diesem Bereich wieder aufgenommen, da die Eigenschaften von Mischoxiden aus Barium, Kupfer und Seltenen Erden [REBCO] neue Perspektiven eröffnet haben.
Aber auch Frankreich steht dem in nichts nach. In den 1990er Jahren interessierte sich die französische Marine nach dem Vorbild der US Navy für den MHD-Antrieb, wobei das Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels [LEGI, Institut National Polytechnique de Grenoble] damit beauftragt wurde, eine Technologieüberwachung in diesem Bereich durchzuführen.
Das Armeeministerium, das von der Abgeordneten Nathalie Da Conceicao Carvalho [RN] auf dieses Thema angesprochen wurde, hat kürzlich sein großes Interesse am MHD-Antrieb bekundet.
"Die Entwicklung der Leistungen im Bereich der Supraleitung in den letzten zehn Jahren ermöglicht die Herstellung großer Magnete, die ein starkes Magnetfeld [bis zu 20 Teslas] entwickeln. Mit solchen Magneten tritt der magnetische Schiffsantrieb, dessen Theorie seit den 1960er Jahren untersucht wird, in die Phase der Machbarkeitsstudien mit zahlreichen potenziellen Vorteilen gegenüber dem klassischen Antrieb ein", erinnerte das Ministerium in seiner Antwort an die Parlamentarierin zunächst.
Auch die Generaldirektion für Rüstung [DGA] interessiert sich sehr dafür und führt seitl 2018 "digitale" Studien in Partnerschaft mit "spezialisierten Labors". bei denen es sich, wenn sie nicht genannt wurden, um das LEGI handeln könnte, das Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble [LEG] für die Untersuchung supraleitender Spulen, das Centre de Recherche en Électrochimie Minérale et Génie des Procédés [CREMGP] und das Laboratoire de MAgnétoDYnamique' des Liquides et Applications à la Métallurgie, die in diesem Bereich führend sind, sein.
Laut Armeeministerium haben diese Studien "eine sehr ermutigende Gesamtleistung bestätigt", so dass 2022 eine "Roadmap für den Magnetantrieb für Schiffsanwendungen unter Angabe des Finanzierungsbedarfs" erstellt wurde und 2023 ein "erster Auftrag" vergeben wurde, um Laborexperimente durchzuführen.
Weitere Aufträge sollen 2024 ausgeschrieben werden, um die "Machbarkeit der Integration eines leistungsstarken Magneten in einen Demonstrator" zu bewerten und anschließend "Studien zur detaillierten Planung und Entwicklung von Demonstratoren in kleinerem Maßstab" durchzuführen.
"Auch wenn die Anwendung zunächst den Antrieb eines Atom-U-Boots betrifft, werden die im Rahmen dieses Projekts getätigten Investitionen Auswirkungen auf mehrere zivile Bereiche haben, wie den Bereich der Fusion oder auch die medizinische Bildgebung [MRT]", schloss das Ministerium.
OPEX 360 (französisch)
von Laurent Lagneau - 26. November 2023
[Bild: https://www.opex360.com/wp-content/uploa...210701.jpg]
Um seine Missionen erfolgreich durchführen zu können, muss ein Atom-U-Boot so unauffällig wie möglich sein. Nur ist ein solches Schiff trotz der in den letzten Jahrzehnten entwickelten Innovationen noch nicht völlig geräuschlos, was auf das Kavitationsgeräusch zurückzuführen ist, das von seinem Propeller erzeugt wird. Anhand dieses Geräusches kann man seine akustische Signatur bestimmen ... und es somit identifizieren [dies ist übrigens die Aufgabe der "Goldenen Ohren" des Zentrums für akustische Interpretation und Erkennung der französischen Marine].
Um dieses Kavitationsgeräusch zu eliminieren, gibt es nur eine Lösung: keinen Propeller... Dies wäre mithilfe der Magnetohydrodynamik [MHD] möglich, die sich, um es kurz zu fassen, mit den Strömungen elektrisch leitender Flüssigkeiten in einem Magnetfeld befasst.
"Das Grundprinzip des MHD-Antriebs ist einfach. Es besteht darin, elektromagnetische Kräfte zu nutzen, um Schiffe durch Reaktionen anzutreiben. Diese Laplace-Kräfte entstehen durch die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld, das von supraleitenden Spulen erzeugt wird, und elektrischen Strömen, die im Meerwasser fließen. So wird die elektrische Energie, die von den an Bord befindlichen Generatoren geliefert wird, direkt in mechanische Energie [Arbeit der elektromagnetischen Kräfte] umgewandelt", erklärt Christophe Trophime in seiner Dissertation zu diesem Thema.
Der Forscher fügt hinzu: "Die Vorteile eines solchen Antriebssystems liegen in diesem Konzept, das es ermöglicht, alle beweglichen mechanischen Teile [Propeller, mechanische Welle usw.] und die damit verbundenen Nachteile [Kavitation, Lärm, Dichtigkeit usw.] zu eliminieren.
Während des Kalten Krieges wurde in den USA und der Sowjetunion an MHD-Antrieben für Schiffe gearbeitet. Die US-amerikanischen Forscher Stewart Way, Warren A. Rice und O.M. Phillips demonstrierten die Machbarkeit mit Versuchen an einem Modelltauchboot [3 Meter lang und 400 kg schwer] in Kalifornien. Ihre Forschungen gingen jedoch nicht weiter, da sie nicht in der Lage waren, Spulen herzustellen, die genügend Magnetfelder erzeugen konnten, um in größerem Maßstab zu arbeiten. Die Sowjets hätten jedoch ihre Bemühungen in dieser Richtung fortgesetzt, was dem Schriftsteller Tom Clancy als Vorlage für seinen Roman "Jagd auf Roter Oktober" diente.
Die Fortschritte in der Supraleitung haben die Situation jedoch verändert, da nun supraleitende Elektromagnete hergestellt werden können, die Magnetfelder von mehreren Teslas erzeugen können.
Anfang der 1992er Jahre entwickelte die japanische Ship & Ocean Foundation dank der Forschung der Universität für Handelsmarine in Kobe (Japan) und der Unterstützung von Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba und Kobe Steel die Yamato 1, den Demonstrator eines elektromagnetisch angetriebenen Schiffes. Mit einer Verdrängung von 280 Tonnen und einer Länge von 30 Metern konnte das Schiff dank eines MHD-Beschleunigers mit einer Geschwindigkeit von 8 Knoten fahren.
Dadurch wurde das Interesse der US Navy an dieser Antriebsart, insbesondere für U-Boote, wieder geweckt. Aber auch hier war die Technologie noch nicht reif, um weitere Schritte in Betracht zu ziehen, da die Spulen, die zur Erzeugung eines ausreichenden Magnetfeldes benötigt werden, für solche Schiffe noch zu schwer waren.
Im Juni letzten Jahres hat die DARPA, die Innovationsagentur des Pentagons, jedoch mit dem Projekt PUMP [Principles of Undersea Magnetohydrodynamic Pumps] die Arbeiten in diesem Bereich wieder aufgenommen, da die Eigenschaften von Mischoxiden aus Barium, Kupfer und Seltenen Erden [REBCO] neue Perspektiven eröffnet haben.
Aber auch Frankreich steht dem in nichts nach. In den 1990er Jahren interessierte sich die französische Marine nach dem Vorbild der US Navy für den MHD-Antrieb, wobei das Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels [LEGI, Institut National Polytechnique de Grenoble] damit beauftragt wurde, eine Technologieüberwachung in diesem Bereich durchzuführen.
Das Armeeministerium, das von der Abgeordneten Nathalie Da Conceicao Carvalho [RN] auf dieses Thema angesprochen wurde, hat kürzlich sein großes Interesse am MHD-Antrieb bekundet.
"Die Entwicklung der Leistungen im Bereich der Supraleitung in den letzten zehn Jahren ermöglicht die Herstellung großer Magnete, die ein starkes Magnetfeld [bis zu 20 Teslas] entwickeln. Mit solchen Magneten tritt der magnetische Schiffsantrieb, dessen Theorie seit den 1960er Jahren untersucht wird, in die Phase der Machbarkeitsstudien mit zahlreichen potenziellen Vorteilen gegenüber dem klassischen Antrieb ein", erinnerte das Ministerium in seiner Antwort an die Parlamentarierin zunächst.
Auch die Generaldirektion für Rüstung [DGA] interessiert sich sehr dafür und führt seitl 2018 "digitale" Studien in Partnerschaft mit "spezialisierten Labors". bei denen es sich, wenn sie nicht genannt wurden, um das LEGI handeln könnte, das Laboratoire d'Électrotechnique de Grenoble [LEG] für die Untersuchung supraleitender Spulen, das Centre de Recherche en Électrochimie Minérale et Génie des Procédés [CREMGP] und das Laboratoire de MAgnétoDYnamique' des Liquides et Applications à la Métallurgie, die in diesem Bereich führend sind, sein.
Laut Armeeministerium haben diese Studien "eine sehr ermutigende Gesamtleistung bestätigt", so dass 2022 eine "Roadmap für den Magnetantrieb für Schiffsanwendungen unter Angabe des Finanzierungsbedarfs" erstellt wurde und 2023 ein "erster Auftrag" vergeben wurde, um Laborexperimente durchzuführen.
Weitere Aufträge sollen 2024 ausgeschrieben werden, um die "Machbarkeit der Integration eines leistungsstarken Magneten in einen Demonstrator" zu bewerten und anschließend "Studien zur detaillierten Planung und Entwicklung von Demonstratoren in kleinerem Maßstab" durchzuführen.
"Auch wenn die Anwendung zunächst den Antrieb eines Atom-U-Boots betrifft, werden die im Rahmen dieses Projekts getätigten Investitionen Auswirkungen auf mehrere zivile Bereiche haben, wie den Bereich der Fusion oder auch die medizinische Bildgebung [MRT]", schloss das Ministerium.