Rotorschiff Magnus Fortsetzung - Parkseeskipper V2

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Rotorschiff Magnus Fortsetzung

Die Eigentümer des bisher bekanntesten Rotorschiffes neuester Bauart, des "E-SHIP 1" (die Auerbach-Reederei/Hamburg,) erbaut von den Lindenau/Cassens-Werften (Heimathafen Emden) übernimmt für die Firma ENERCON Transportaufgaben von Windkraftanlagen auf See. Weitere Unternehmen erproben im Nordseebereich Versuche mit Frachtschiffen, um ebenfalls die Windkraft zur Senkung der Betriebskosten auszunützen. Eines der interessanten Versuchsschiffe stellt dabei der Mehrzweckfrachter mit dem Namen "FEHN POLLUX" dar. den Firma ECO-FLETTNER (TM) mit einem entsprechenden Rotor im Bug ausgerüstet hat. Die Firma bietet innovative Ansätze im Bereich der Rotoren für die unterschiedlichsten Baugrößen an, wobei festzustellen ist, dass das Längen-/Durchmesserverhältnis der Rotoren unabhängig von ihrer Länge (Bauhöhe) stets 6 zu 1 beträgt. Bei einem Durchmesser des Rotors von beispielsweise 1 Meter beträgt die Rotorhöhe also 6 Meter, analog steigen die Abmessungen bei Änderung des Durchmessers bzw. der Rotorhöhe. Offenbar haben Forschungsergebnisse, die seit mehr als 100 Jahren an diesem Antrieb durchgeführt wurden, dazu geführt, dass dieses D-/L-Verhältnis optimale Wirkung zu erzeugen verspricht. Einen großen Anteil am Wirkungsgrad der Rotoren haben auch die "Abdeckscheiben" des Zylinders, ohne diese fällt der Wirkungsgrad der Rotoren erheblich. Also haben auch diese Scheiben maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Sekundärantriebs.
Anlässlich der im Internet eingeholten Informationen und der Auswertung des einschlägigen Buches von Claus D. Wagner mit dem Titel "Die Segelmaschine", erschienen 1991 im Kabel Verlag Hamburg, reifte der Entschluss, den Modell-Nachbau eines Rotorschiffes zu starten.
Wie sich aus der nachfolgenden Schilderung ergibt, ging ich dabei einige Irrwege. Aber so ist das nun mal im richtigen Leben: Trial & Error, Versuch und Irrtum bestimmen meist den Weg. Diese Erfahrung musste auch Anton Flettner, der Erfinder des nach ihm benannten Rotors und später erfolgreicher Industrieller erfahren.
Die Idee war da; das Deutsche Museum in München nicht weit. So besuchte ich als Mitglied des Museums an einem regnerischen Sommertag die Schifffahrt-Abteilung im Erd- und Untergeschoß des Museums. Mir war bekannt, dass dort das Modell des wohl bekanntesten historischen Rotorschiffes namens "BARBARA" stehen musste. Aber trotz langer Suche fand ich das Modell nicht. So begab ich mich nochmals ins Untergeschoß und nach exakter Recherche fand ich das Gesuchte: Die "BARBARA" steht in einer in den 60ern verwendeten Bauweise in einer Mauernische hinter Glas, gut versteckt in der Abteilung "nautische Insturmente". Das Modell überrascht in seiner extrem detaillierten Bauweise und hinterlässt einen nachhaltigen Eindruck, vor allem aufgrund der vielen damals wohl üblichen Verwendung von Metallteilen, die sich vor allem in glänzenden Bullaugen, aber auch den drei Rotoren ausdrückt.
Die "BARBARA", ein ehemals als Frachtschiff geplantes und gebautes Wasserfahrzeug wurde nach den ersten erfolgreichen Versuchen Flettners mit ihrem Vorläufer, der als reines Segelschiff konzipierten "BUCKAU" bereits mit drei Rotoren auf Deck ausgerüstet. Die Erfahrungen mit der "BARBARA" waren ermutigend. Der konventionelle Antrieb erfolgte über zwei Viertakt-MAN-Dieselmotoren von je 530 PSe, die über ein Vulcangetriebe auf die Propeller wirkten. Das Schiff erhielt zusätzlich eine Flettner-Ruderanlage. Am 26. Juli 1926 erfolgte die erste Probefahrt, die erfolgreich vonstatten ging. In einer amtlichen Verlautbarung hieß es: "Das neue Rotor-Motorsciff BARBARA ist am 30. Juli (1926) während der Überführung von Bremen nach Hamburg übernommen und der Reederei Robert E. Sloman zur Einreihung in ihren Mittelmeerdienst übergeben worden".
Nach kurzer Euphorie über das gefundene Modell im Deutschen Museum überlegte ich, dass allein der exakte und äusserst komplexe Nachbau des durchaus imposanten Modells im M 1/100 wohl mehrere Jahre Bauzeit verschlingen würde. Dabei war zu berücksichtigen, dass der vorderste Rotor inmitten der Brücke des Originals aufgestellt worden war, was für die Wartung des Rotors großen mechanischen Aufwand und hohe Beschädigunsgefahr nach sich ziehen würde. Auch der Rotor mittschiffs war, soweit dem im erwähnten Buch ersichtlich, inmitten enes Aufbauteils platziert. Damit war klar, dass dieses Schiff als Nachbau nicht in Frage kommen würde.
Durch Zufall fand ich bei einem professionellen Hersteller von Schiffsrümpfen aus Kiel heraus, dass dieser offenbar seine Produktion aufgeben wollte und eine Art Schlussverkauf angesetzt hatte.
Ein allerletzter Rumpf eines Frachters namens JOHANNA wurde preisgünstig erworben. Im M 1/100 konnte sich das Teil sehen lassen: Immerhin knapp 100 cm lang, 14 cm breit und mit einem rechnerischen Volumen von ca 5 kg betriebsbereiter Masse eine Option zur Gestaltung "frei Schnauze", heute modern "free-lanced" genannt.
Im Netz finden sich ja viele Anregungen zum Nachbau von Frachtern, die auch bei Modell-Veranstatungen meist ein eher kümmerliches Dasein fristen. Zur Ausgestaltung wählte ich daher einen vergleichbaren Küstenfrachter moderner Ausführung, d. h. mit Bugwulst, wie das heute längst Usus ist.
Die konventionelle Motorisierung erfolgte mit einem Bühler-Langsamläufer aus der Grabbelkiste, der mit 12 Volt aus einem 7,2Ah-Blei-Akku (liegend eingebaut in der Rumpfmitte) ausreichend montorisert ist. Zur Einsparung von nutzbarer Rumpflänge habe ich den von mir in den meisten Modellen favorisierten Zahnriemen-Zahnscheiben-Antrieb (1:1) gewählt. Damit lassen sich lange Stevenrohre und noch längere Wellen vermeiden und der doch voluminöse Akku findet exakt in der Mitte des Rumpfes Platz. Der leise laufende Büler-Motor sitzt rittlings über der Welle. Motor- und Schiffswelle sind mittels 6,5 mm breiten Zahnriemen und 14zähnigen Zahnscheiben der Firma KeeYee verbunden, die glücklicherweise eine Achsbohrung von exakt 5 mm besitzen. Die Schiffswelle mit 3 mm Durchmesser erhielt eine Messingbuchse 3/5 mm, womit die Lücke zwischen den Durchmessern geschlossen werden konnte. Auch das Becker-Ruder erhielt zusammen mit dem Ruderservo einen Zahnriemenantrieb, womit empfindliche Gestänge entfallen.
Nun musste der am drängendsten auftauchenden Frage nachgegangen werden: Wie hältst Du es mit dem Antrieb der Rotoren" ? Das erwähnte Buch war hier nicht sonderlich hilfreich, besonders im Hinblick auf die Suche nach dem richtigen Verhältnis zwischen Rotorhöhe und Rotordurchmesser, aber auch die Angaben zum elektrischen Antrieb konnten ja modelltechnisch nicht übernommen werden. Es fanden sich aus der Erprobungszeit der BUCKAU und der BARBARA Verhältnisse zwischen 1:3 und 1:10. 
Auch die Frage, aus welchem Material der Rotor bestehen sollte, trieb mich lange um: GFK gegossen oder gewickelt? Karton oder Aluminium? Schließlich landete ich bei einem relativ einfach handhabbaren Material: Plexiglas, auch Acrylglas genannt. Zylinderglas gibt es in vielen Längen, Durchmessern und Wandstärken. Versuchsweise nahm ich ein Rohr mit 38 mm Aussendurchmesser und 45 cm Länge. Es sollten wie beim Versuchsmodell BUCKAU nur zwei Rotoren werden, auf dem erworbenen Frachtschiff wäre für drei Stück der Platz zu eng geworden. Ich musste ja auch bereits darüber nachdenken, wie die Antriebe der Rotoren zu realisieren wären. 
Die Acrylglasrotoren wurden entsprechend abgelängt, die Schnittstellen geglättet und soweit wie mit üblichen Mitteln machbar, an der Vertikalschleifscheibe plan geschliffen. Ersichtlich war aus allen Abbildungen und Beschreibungen, dass die Rohre an ihren beiden Enden über Abschluss-Scheiben verfügen müssen, um den Magnus-Effekt zu realisieren. Die Wandstärke der Rotoren betrug jeweils 2 mm. Das Gewicht der Rohre erschien erträglich. Als Abschluss-Scheiben, die nach den Ausführungen im erwähnten Buch den Effekt wesentlich steigern, wurde ebenfalls Acrylglas mit 2 mm Stärke verwendet. Mit einem Stechzirkel wurde ein konzentrischer Kreis von 50 mm Durchmesser in das Glas geritzt, der Mittelpunkt mit einem automatischen Körner angespitzt und die Kreisbahn dann mit dünnem Laubsägeblatt ausgeschnitten. Eine Dekupiersäge ist hier fehl am Platz, denn sie arbeitet zu schnell, erhitzt das Glas und damit ist das Schneiden auch schon zu Ende, da das Acrylglas schmilzt. Also immer schön langsam und mit der Hand sägen.... Macht Spass - 4 Scheiben langsam schneiden!
Nächster Schritt: weiter denken, wie zentriert man die Scheiben auf den Rohr-Enden? Hier das Rezept: Die anstehende Zentrierung der Scheiben gelang durch Zirkelritzen mit der exakten Einstellung des Aussendurchmessers der Rohre. Man sieht vor dem Aufkleben den Kreis, der mit den Rohrenden abschließen muss, um keine Schwingungen durch Asymmetrie hervor zu rufen.

Erst jetzt wurde der Mittelpunkt der 4 Scheiben langsam mit Bohrern von 1, 2, 3 und 5 mm Durchmesser auf die notwendigen 5 mm für die Durchführung von Stahlwellen aufgeweitet. Ich hatte Stahlwellen gekauft; sie stellten sich aber als brünierte Eisenstäbe heraus.
Nun war darüber nachhzudenken, wie die Lagerung der doch knapp 50 cm langen Wellen zu bewerkstelligen wäre. Leider sind die Rotoren ab Deck Oberfläche frei tragend, ein Lager an der Oberseite gab es bei den Originalen auch nicht.
Die Idee war: Ein in 10 mm Sperrholz eingebettetes Radial-Kugellager mit 5 mm Innen- und 19 mm Aussendurchmesser - gängige und preiswerte Ware aus dem Internet. Ähnlich den "Kielschweinen" vergangener Zeiten bei Segelschiffen wurde also ein Sperrholzriegel mit ca. 35 mm Breite und der Rumpfbreite angepasster Länge (ca. 10 cm) geschnitten und mit dem Forster-Bohrer ein 20 mm Loch langsam ausgebohrt. Die nun entstandene Differenz zwischen dem Aussenmaß des Kugellagers und der Bohrung wurde durch Abdrehen eines Alurohrs und Abstechen des erhaltenen "Futters" ausgeglichen. Das jeweilige "Rumpfboden-Kugellager" erhält also rundum eine Art Manschette, die die Durchmesserdifferenz rund um das Lager mit 0,5 mm Wandstärke auffüllt. Damit sitzen die Kugellager sicher in der Holzführung. Nun kam die Frage: Zweiter Fixpunkt für die Welle - wo setzen? Es blieb eigentlich nur eine Option: Das Deck. Das Deck wurde aus 2 mm Flugzeugsperrholz der Rumpfform angepasst ausgesägt. Dabei war zu berücksichtigen, dass bei einem Versuchsmodell auch häufiger mal Service- und Änderungsarbeiten anfallen würden. Aus diesem Grund habe ich vor dem Befestigen des Decks für die zwei Rotorwellen als Unterzug für das drei mal geteilte Deck (Back-, Mittel- und Heckteil) analog zum "Kielschwein" ebenfalls Sperrholzriegel mit 10 mm Stärke zwischen den Bordwänden eingefügt. Zunächst wurden die Teile gesägt, die Mitte zwischen den Bordwänden angezeichnet und danach wie vorstehend beschrieben, ebenfalls mit dem Forster-Bohrer wieder je ein Loch von 20 mm gebohrt, in das wiederum je ein Kugellager mit Differenzfutter aus Alu eingefügt wurde. Jetzt ging es um die Wurst: Die Wellen mussten exakt vertikal ausgerichtet werden, sowohl in Kiellinie als auch von der Seite des Schiffsrumpfes gesehen. Einiges Schieben und Korrigieren unter Zuhilfenahme von dünnen Sperrholzstreifen an den Rumpfseiten war nötig.
Als die Vertikale der Eisenstäbe in beiden Richtungen stimmte. verleimte ich diese Kugellager-Träger einschließlich der eingebauten Kugellager mit Epoxikleber an den Rumpfwänden.
Die noch durchsichtigen Rotoren erhielten ihre kreisrunden Scheiben an beiden Enden nun mit Acrylkleber aufgesetzt - sie halten nach wenigen Minuten durch eine Art "Verschweissen" mit den Rohrenden. Der Kleber scheint zwar durch die Scheiben, aber die anschließende Lackierung überdeckt die Klebeflächen.
Ohne konkretes Vorbild wurden also die fertigen und beidseitig mit Abschluss-Scheiben versehenen Plexirohre mit den Stahlwellen 5 mm versehen. Die Verklebung der Stahlwellen erfolgte mit Sekundenkleber an den 5-mm-Bohrungen der Abschluss-Scheiben. Die ungeklärte Frage war: Halten diese Verklebungen den vermutlich hohen Drehzahlen stand? Probieren geht über Studieren. Weder war mit die Drehzahl der kleinen Brushlessmotoren geläufig, noch, ob das Drehmoment beim Anlaufen die Plexirohre konstant "mit nehmen" oder gleich mal durch Scherkraft abreissen würde. Also: Erster Versuch. Dieser ging erst mal schief, weil sich beide Rotoren in unterschiedlicher Richtung drehten. Kein Problem: Zwei der drei Motoranschlüsse wechseln und schon liefen die Rotoren langsam, dann nach "Gas geben immer schneller in der gleichen Richtung an. Nun zeigte sich, dass die "Stahlwellen" eben doch keine waren. Leichtes Vibrieren eines Rotors am oberen Fixpunkt bestätigte mir meinen Verdacht: Die Wellen snd nicht vollständig gerade. Durch die Kugellager-Fixierung an zwei Punkten (Rumpfboden und unter dem Deck) im Abstand von maximal 11 cm zeigte die Schwachstelle des Stahlstabes, der eigentlich nur ein geschwärzter Eisenstab war. Dennoch konnte die Drehzahl reichlich erhöht werden, ohne dass sich die Teile in irgend einer Form lösten. Bei höheren Drehzahlen stabilisierte sich das etwas "nervöse" Rotorteil sogar zum Fast-Rundlauf. Probelauf also erst mal grundsätzlich bestanden!
Im weiteren Verlauf der Erprobung - und bei Kontaktaufnahme zu Firma ECO-Flettner stellte ich fest, dass diese Firma für die von ihr gelieferten Rotoren unabhängig vom Auftraggeber stets ein Fix-Verhältnis zwischen Rotordurchmesser (D) und seiner künftigen Höhe (H) verwendet, nämlich 1:6. Egal, ob "D" nun einen oder drei Meter betragen soll, die Höhe H wird mit 6 multipliziert. Ein 1-m-Durchmesser wird 6 m hoch gefertigt, ein 3-m-Durchmesser eben dann 18 Meter. Offenbar haben Untersuchungen ergeben, dass dieses D/H-Verhältnis opitmale Vortriebsergebnisse zustande bingt

Damit war das Ende der Prototypen der 1. Serie von Rotoren auf dem Modell besiegelt, die ein D/H-Verhältnis von 1:10 aufwiesen. Neue Plexirohre wurden bestellt, nun mit 48 mm Aussendurchmesser. Die Ablängung erfolgte nun auf 35 cm, was zwar ein D/H-Verhältnis von etwas mehr als 6 zeigt, aber im Verhältnis zum ganzen Modell etwas weniger "hochbeinig" und schwankungsrelevant" erschien. Das Prozedere war das gleiche wie vorher: Ablängen, an der Schleifscheibe die Schnittstellen rechtwinklig schleifen. Die Deckscheiben mussten neu vermessen und gesägt werden. Sie erreichen nun einen Durchmesser von 9 cm. Mit dem Zirkel wurde wieder ein "Verklebekreis" von 48 mm auf den Deckscheiben gezogen, damit beim Kleben die Ränder der Rohre zur Deckung gebracht werden konnten. Die Bohrungen der Scheiben wurden wieder mit 5 mm angebracht. 
Da die Korrespondenz mit Firma Eco-Flettner dazu geführt hatte, dass ich dazu ermuntert worden war, das Logo der Firma auf den Rotoren anzubringen, wurden die neuen Rotoren dieses mal reinweiss gespritzt und mit Decals verziert, deren Grafik mir von der Firma zur Verfügung gestellt wurde. Dafür meinen herzlichen Dank an Fima Eco-Flettner.
Inzwischen wurde auch nochmals ein "gerichteter" echter Stahlstab geordert, auf die richtige Länge mit der Flex zugeschnitten, entgratet und dann in die Rotoren eingeklebt, das Prozedere war ja bereits geläufig. Die Installation im Modell erfolgte wie auch zuvor: Einsetzen der Stahlstäbe durch das Decks-Kugellager, darauf beim weiteren Absenken Installation der Zahnriemenscheibe einschließlich Zahnriemen und schlussendlich Einsetzen des Stahlstabs in das Rumpfboden-Kugellager. Die Zahnriemenscheibe musste noch mit den darin enthaltenen zwei Madenschrauben auf der Welle fixiert werden. Dann wieder der große Moment: Wie läuft´s dieses mal?
Das Ergebnis war frappierend: Die Rotoren liefen leicht an, konnten auf hohe Drehzahl gesteigert werden und der erste Test verlief von Anfang an erfolgreich. Der Strom für die Motoren kommt wieder wie bisher aus einem Blei-Akku 12 Volt 7,4 Ah und reicht völlig für den Betrieb der Brushless-Motoren aus. Die Drehzahl konnte wieder kontinuierlich gesteigert werden - ich schätze dass die Rotoren mit etwa 3000 rpm laufen, was rechnerisch einer zurückgelegten Strecke von ca. 452 Metern pro Minute oder etwa 27 km/Stunde entspricht. 
Hilfreich für die Beurteilung der Rotorumlauf-Geschwindigkeit erscheint folgende Feststellung: ....Dafür ist die Rotorfläche im Vergleich zur Segelfläche in allen anderen Fällen sehr effizient, ein Quadratmeter Rotorfläche entspricht etwa 10 Quadratmetern Segelfläche. Dabei reicht bei den üblichen geometrischen Auslegungen bereits eine Drehzahl von einer Umdrehung pro Sekunde. (Quellen-Zitat aus de.Wikipedia.org - Rotorschiff). Es kommt also nicht so sehr auf die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors an, wobei dennoch zu berücksichtigen ist, dass mit steigender Windstärke, also Zunahme der Windgeschwindigkeit auch höhere Drehzahlen der Rotoren erforderlich werden. Die praktische Erprobung wird zeigen, in welcher Weise Rotor-Drehzahl und Windstärke auf einander wirken.

Das Gewicht des Akkus, flach gelagert (ca. 2500 Gramm), stabilisiert die nun nur noch 35 cm über Deck ragenden Rotoren noch besser als die vorher verwendenten dünnen, aber höheren Plexirohre. Auch ein im Badewannen-Test vorgenommenes absichtliches seitliches Drücken auf die Rotoren hat keine negativen Wirkungen für die Vertikalstabilität. Das Modell pendelt sich immer wieder ein und richtet sich auf. Springender Punkt dabei ist, dass der Akku absolut mittig im Ruimpf platziert werden muss, um von vornherein Schräglagen auszuschließen.
Bei der "Großen Schiffsmodell-Ausstellung" am 8. März 2020 im Kulturzentrum Taufkirchen war das Modell viel gefragter Fixpunk, auch wenn es nur im Trockendock vorgeführt werden konnte. 
Ein Großteil der Besucher hatte noch nie etwas von einem Rotorschiff gehört oder gesehen und als Erklärer des Funktionsprinzips war der Erbauer sehr gefragt. Es gibt natürlich viele Skeptiker, die bezweifeln, dass das Modell unter leichtem Wind tatsächlich fahren wird. Ein primitives Rollmodell (Styroporquader mit 4 Rädern und einer angetriebenen Plastik-Wasserflasche, kopfstehend, hat unter seitlichem Einfluss eines Staubsaugers, der nicht als Sauger sondern als "Bläser" arbeitet, bewiesen, dass sich bei Rotation das Fahrzeug vorwärts bewegt). 
Es bleibt also der Echtversuch im Wasser abzuwarten.

Fortsetzung folgt



 
 
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