Forschung

Zeitlupentempo: Schiffe im Crashtest

Foto: Ingo Roehrbein, Hamburg, Germany

Harburger Forscher arbeiten an einer Bugnase, die wie eine Knautschzone funktioniert. Durch sie sollen Kollisionen glimpflicher verlaufen.

Hamburg. Der Crashtest verläuft im Zeitlupentempo: Über mehrere Stunden drücken vier kräftige Hydraulikzylinder einen nachgebauten Wulstbug gegen eine starre (Schiffs-)Stahlwand. Ganz allmählich gibt er nach, bis seine Front schließlich komplett in Falten liegt. Der in Europa einzigartige maritime Teststand an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) ist Teil des Forschungs- und Entwicklungsprojektes Elkos. Es soll dafür sorgen, dass Schiffskollisionen zukünftig glimpflicher verlaufen.

Eine zentrale Rolle spielt dabei der Wulstbug. Die "Nase" am Schiffsrumpf verringert den Wellenwiderstand und damit den Treibstoffverbrauch. Die Wulstform wird für jedes Schiff speziell konstruiert. "Damit der Wulstbug dem Seegang widersteht, ist er stark versteift und kann sich kaum verformen. Bei einer frontalen Kollision mit einer Schiffswand wirkt er wie ein Rammsporn", sagt Prof. Wolfgang Fricke vom TU-Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen. "Deshalb haben wir im ersten Projektteil einen Wulstbug entworfen, der sich leichter verformt und dadurch Kollisionsenergie aufnimmt, vergleichbar mit einer Knautschzone am Auto."

Herkömmliche Bugwülste sind in Längs- und Querrichtung verstärkt, damit sie auch dann ihre Form behalten, wenn starke Kräfte auf sie einwirken. Die TU-Forscher setzen dagegen nur auf ringförmige Verstärkungen im Frontbereich, die zwar dem Seegang widerstehen, sich aber im Falle einer Kollision ähnlich gut zusammenfalten wie eine Aludose im Pfandautomaten. "Mit unserer Konstruktion müssen wir ein Drittel weniger Kraft aufwenden, um den Bug zu verformen", sagt Fricke. Er leitet das dreijährige, vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Elkos-Projekt, das bis 2012 läuft.

Beim Aufprall reichen fünf Knoten, um die Stahlwand zu durchbohren

Auf dem zwei Stockwerke hohen Teststand können Kräfte von bis zu 400 Tonnen auf die Stahlwand einwirken. Sie reichen gerade aus, um eine Doppelhüllenwand zu durchstoßen. Dabei spielt - anders als bei Autos - die Geschwindigkeit der Unfallgegner nur eine untergeordnete Rolle. Bei einem Aufprall, der genau senkrecht erfolgt, reichen schon gut fünf Knoten (gut neun Kilometer/Stunde), um die Schiffswand zu durchbohren.

Das in Harburg eingesetzte Bugmodell im Maßstab eins zu drei hat rund einen Meter Durchmesser und stammt vom Projektpartner FSG, der Flensburger Schiffbau-Gesellschaft. Sie möchte die Sicherheit ihrer Schiffe verbessern, sieht darin ein Verkaufsargument. Da die FSG hauptsächlich RoRo-Fähren baut, konzentrieren sich die TU-Entwickler auf diesen Schiffstyp. Er sei zudem besonders kollisionsempfindlich, so Fricke: "Die Autofähren haben einen großen unteren Laderaum, der bei Wassereinbrüchen das Schiff schnell instabil werden lässt. Denn das Wasser kann ungehindert hin- und herschwappen. Passagierschiffe sind dagegen durch viele Schotten eng unterteilt."

Eine Füllung der Doppelhülle mit Granulat könnte den Aufprall abmildern

Die Sicherheitsforschung habe sich bislang darauf konzentriert, die getroffenen Schiffe zu verbessern, so Fricke, es gelte aber auch, die Gefährdung durch das Schiff zu reduzieren. Hier setze die neue Wulstbug-Konstruktion an. Sie entstand zunächst im Rechner anhand zahlreicher Simulationen. Um sie zu überprüfen, wurde der Teststand errichtet, auf dem im Juni zum zweiten Mal eine von der FSG gebaute Bugnase zerknautscht wurde - der Vorgang dauerte einen halben Tag. Simulation und Experiment hätten sehr genau übereingestimmt, freut sich Fricke.

Der zweite Projektteil setzt an der Schiffswand des Kollisionsgegners an. Viele Schiffe, darunter alle Tanker, haben inzwischen eine doppelte Hülle. In den Hohlraum zwischen den beiden Wänden könnte ein Granulat gefüllt werden, das bei einer Kollision einen Teil der Aufprall-Energie abfängt, lautet das Ziel der TU-Forscher. Zudem kann im Falle eines Lecks weniger Wasser in die Doppelhülle eindringen, wenn der Raum mit Granulat gefüllt ist. Fricke: "Es gab bereits Ansätze, bei denen die Hohlräume ausgeschäumt wurden. Doch dies macht sie unzugänglich, man kann sie nicht mehr auf Rostbefall inspizieren. Dagegen lässt sich ein Granulat zur Inspektion absaugen und anschließend wieder hineinschütten."

Das neue Konzept sei auch auf Tanker übertragbar. Sie stellten gerade für die deutschen Küsten eine besondere Gefahr dar, zum einen, weil Ölverschmutzungen das Wattenmeer besonders hart träfen, zum anderen, weil in der Kadetrinne, dem Fahrrinnen-Nadelöhr nördlich von Rügen, die Kollisionsgefahr besonders hoch ist.

Der Doppelwand-Füllstoff sollte eine hohe Festigkeit haben, aber nicht allzu schwer sein. Dies wird erreicht, wenn sich die einzelnen Körner miteinander verhaken. Dazu müssen sie eine raue Oberfläche haben, etwa wie die von Koks. Welches Material sich am besten eignet, weil es gleichzeitig leicht und unnachgiebig ist, werde derzeit erforscht, so Fricke.

Vielversprechende Kandidaten werden zunächst mit Computersimulationen getestet. Die besten unter ihnen dürfen sich dann real beweisen, verpackt in einem Schiffswandnachbau. Dazu sind vier weitere Crashtests auf der Kollisionsprüfanlage der TUHH geplant. Doch derzeit wird noch fleißig gerechnet.

Voraussichtlich erst im kommenden Jahr werden die TU-Forscher es dann wieder krachen lassen.