Atom-U-Boot

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Hintergrund

Ein Atom-U-Boot ist ein mit Atomenergie betriebenes Schiff, das sich hauptsächlich unter Wasser, aber auch auf der Meeresoberfläche fortbewegt. Bisher verwendeten konventionelle U-Boote Dieselmotoren, die Luft für die Fortbewegung auf der Wasseroberfläche benötigten, und batteriebetriebene Elektromotoren, um sich darunter fortzubewegen. Die begrenzte Lebensdauer elektrischer Batterien führte dazu, dass selbst das fortschrittlichste konventionelle U-Boot nur wenige Tage bei langsamer Geschwindigkeit und nur wenige Stunden bei Höchstgeschwindigkeit unter Wasser bleiben konnte. Andererseits können Atom-U-Boote mehrere Monate unter Wasser bleiben. Diese Fähigkeit, kombiniert mit fortschrittlicher Waffentechnologie, macht Atom-U-Boote zu einem der nützlichsten Kriegsschiffe, die je gebaut wurden.

Verlauf

Der erste ernsthafte Vorschlag für ein Schiff, das unter Wasser reisen sollte, wurde 1578 vom englischen Mathematiker William Bourne gemacht. Bourne schlug vor, zwei Rümpfe zu verwenden, einen aus Holz und einen aus Leder, aber dieses Gerät wurde nie wirklich gebaut. Das erste funktionierende U-Boot wurde 1620 vom niederländischen Erfinder Cornelis Drebbel gebaut. Nach einem ähnlichen Design wie Bourne wurde dieses Gerät von acht Holzrudern unter die Themse getrieben.

Im frühen 18. Jahrhundert wurden mehrere kleine U-Boote mit ähnlichen Konstruktionen gebaut. Im Jahr 1747 schlug ein unbekannter Erfinder vor, Taschen aus Ziegenleder an einem U-Boot anzubringen. Das Befüllen der Säcke mit Wasser würde das U-Boot absenken, und das Ausstoßen von Wasser aus den Säcken würde es anheben. Das gleiche Grundkonzept wird in modernen Ballasttanks verwendet.

Das U-Boot wurde erstmals während der Amerikanischen Revolution in der Kriegsführung eingesetzt. Die Schildkröte, entworfen vom Yale-Studenten David Bushnell, versuchte, einen Sprengstoff an einem britischen Kriegsschiff anzubringen, konnte jedoch die Kupferummantelung des Schiffsrumpfs nicht durchdringen. 1801 baute der amerikanische Erfinder Robert Fulton die Nautilus, ein U-Boot aus Kupferblechen über Eisenrippen. Der Nautilus, die eine vierköpfige Besatzung aufnehmen konnte, in Tests Schiffe versenken konnte, aber sowohl von Frankreich als auch von England abgelehnt wurde. Fulton arbeitete an einem dampfbetriebenen U-Boot, das eine Besatzung von 100 Mann aufnehmen konnte, als er 1815 starb.

Während des amerikanischen Bürgerkriegs finanzierte Horace L. Hunley den Bau von U-Booten für die Konföderation. Das dritte dieser Schiffe, die H. L. Hunley, angegriffen und versenkt das Unionsschiff Housatonic am 17. Februar 1864, wurde aber bei der daraus resultierenden Explosion selbst zerstört.

Während des späten neunzehnten Jahrhunderts wurden in den Vereinigten Staaten und in Europa zahlreiche U-Boote gebaut. Methoden zum Bewegen des U-Bootes entwickelten sich von handbetriebenen Propellern zu Dampfmaschinen, Benzinmotoren und Elektromotoren. U-Boote mit Dieselmotoren für Überwasserfahrten und Elektrobatterien für Unterwasserfahrten wurden im Ersten und Zweiten Weltkrieg erfolgreich eingesetzt.

Die Entwicklung der Atomkraft nach dem Zweiten Weltkrieg revolutionierte die U-Boot-Technologie. Unter der Leitung von Hyman Rickover, einem Ingenieur und Offizier der US Navy, entwarfen die amerikanischen Erfinder Ross Gunn und Philip Abelson die Nautilus, das erste Atom-U-Boot, das 1954 vom Stapel gelassen wurde. Bis 1959 wurden einige Atom-U-Boote, sogenannte strategische U-Boote, verwendet, um Raketen mit Atomsprengköpfen zu transportieren. Andere Atom-U-Boote, sogenannte Angriffs-U-Boote, wurden entwickelt, um feindliche Schiffe und U-Boote zu versenken. Strategische U-Boote und Angriffs-U-Boote wurden weltweit zu einem wichtigen Bestandteil der Seestreitkräfte. Der erste Einsatz eines Atom-U-Bootes im aktiven Kampf fand 1982 statt, als das britische Angriffs-U-Boot Conqueror versenkte das argentinische Schiff General Belgrano während des Konflikts um die Falklandinseln.

Robert Fulton

Robert Fulton, bekannt für seine Arbeit in der Dampfschifftechnologie, wurde 1765 in Little Britain, Pennsylvania, geboren. Als Kind baute Fulton gerne mechanische Geräte. Mit zunehmender Reife wandte sich sein Interesse der Kunst zu, und obwohl es ihm gelang, sich durch den Verkauf von Porträts und technischen Zeichnungen zu ernähren, war die allgemeine Resonanz auf seine Arbeit enttäuschend und überzeugte ihn, sich auf seine Ingenieurskunst zu konzentrieren.

Im Jahr 1797 war Robert Fulton bei der Erforschung von Kanälen in Paris, Frankreich, von der Vorstellung eines "tauchenden Bootes" oder U-Bootes fasziniert und begann, eines nach den Ideen des amerikanischen Erfinders David Bushnell zu entwerfen. Fulton wandte sich an die französische Regierung, die sich damals mit England im Krieg befand, mit dem Vorschlag, sein U-Boot zu verwenden, um Pulverminen auf dem Boden britischer Kriegsschiffe zu platzieren. Nach einiger Überzeugungsarbeit stimmten die Franzosen zu, die Entwicklung der Boote zu finanzieren, und im Jahr 1800 startete Fulton das erste U-Boot, die Nautilus, in Rouen.

Das 24,5 ft (7,5 m) lange, ovale Schiff segelte über dem Wasser wie ein normales Schiff, aber der Mast und das Segel konnten flach an Deck gelegt werden, wenn das Schiff bis zu einer Tiefe von 25 ft (7,6 m) um eingetaucht war seinen hohlen Metallkiel mit Wasser füllen. Fultons Plan war es, einen Dorn vom metallenen Kommandoturm in den Boden eines anvisierten Schiffes zu hämmern. Eine am Spike befestigte Mine mit Zeitfreigabe sollte explodieren, sobald das U-Boot außer Reichweite war. Obwohl das System in den Erprobungen funktionierte, waren britische Kriegsschiffe viel schneller als die in den Experimenten verwendete Schaluppe und konnten sich so dem langsameren U-Boot entziehen. Die Franzosen stellten die Finanzierung des Projekts nach dem gescheiterten Kampfversuch ein, aber die Briten, die die Technologie für vielversprechend hielten, brachten Fulton auf ihre Seite. Leider funktionierte das U-Boot in Tests erneut gut, erwies sich jedoch in der Praxis als unbefriedigend. Nach dem Scheitern in der Schlacht von Trafalgar (1805) gaben auch die Briten das Projekt auf.

Nach diesen Erfahrungen wandte sich der unerschrockene Fulton einem neuen Forschungsgebiet zu – Dampf. Durch seine Kontakte in Paris lernte Fulton Robert Livingston (1746-1813) kennen, den amerikanischen Außenminister in Frankreich, der auch ein 20-jähriges Monopol auf die Dampfschifffahrt im Staat New York besaß. 1802 beschlossen die beiden, eine Handelsgesellschaft zu gründen. Im folgenden Jahr starteten sie ein Dampfschiff auf der Seine, das auf dem Design des amerikanischen Landsmanns John Fitch basierte.

Fulton kehrte später im Jahr 1803 nach New York zurück, um seine Entwürfe weiterzuentwickeln. Nach vierjähriger Arbeit brachte Fulton das Clermont, auf den Markt ein dampfbetriebenes Schiff mit einer Geschwindigkeit von fast fünf Meilen pro Stunde. Die Partnerschaft zwischen Fulton und Livingston florierte, und Fulton hatte endlich einen anerkannten Erfolg erzielt.

Fultons Beharrlichkeit und sein Glaube an seine Ideen halfen Dampfschiffen, eine wichtige Transportquelle auf den Flüssen in den Vereinigten Staaten zu werden, und führten zu einer erheblichen Reduzierung der inländischen Schifffahrtskosten.

Rohstoffe

Das Hauptmaterial, das bei der Herstellung eines Atom-U-Bootes verwendet wird, ist Stahl. Stahl wird verwendet, um die Innenhülle, die die Besatzung und das gesamte Innenleben des U-Boots enthält, und die Außenhülle herzustellen. Zwischen den beiden Rümpfen befinden sich die Ballasttanks, die Wasser aufnehmen, um das U-Boot sinken zu lassen, und Wasser ausstoßen, um das U-Boot steigen zu lassen.

Ein typisches U-Boot.

Neben Stahl bestehen verschiedene Teile eines Atom-U-Bootes aus anderen Metallen wie Kupfer, Aluminium und Messing. Andere Materialien, die zur Herstellung der Tausenden von Komponenten verwendet werden, aus denen ein voll ausgestattetes Atom-U-Boot besteht, sind Glas und Kunststoff. Elektronische Geräte umfassen Halbleiter wie Silizium und Germanium. Der Kernreaktor, der das U-Boot antreibt, ist auf Uran oder ein anderes radioaktives Element als Energiequelle angewiesen.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Herstellungsvorbereitung

• 1 Da Atom-U-Boote nur für militärische Zwecke hergestellt werden, wird die Entscheidung über deren Bau von einer nationalen Regierung getroffen. In den Vereinigten Staaten ist die Undersea Warfare Division der Navy dafür verantwortlich, die Herstellung einer Gruppe von U-Booten, bekannt als Flight, zu beantragen.
• 2 Die Marine nimmt Angebote von Tausenden von Unternehmen an, um die vielen Komponenten herzustellen, aus denen ein Atom-U-Boot besteht. Der Rumpf des U-Bootes wird im Allgemeinen von der Electric Boat Division der General Dynamics Corporation hergestellt. (Die ursprüngliche Electric Boat Company baute 1900 die ersten U-Boote der United States Navy.)
• 3 Die Finanzierung von Atom-U-Booten ist im Verteidigungshaushalt enthalten, der dem Kongress vom Präsidenten vorgelegt wird. Bei Genehmigung beginnt der Herstellungsprozess. Der Kernreaktor wird vom Naval Reactor-Projekt der Regierung geliefert. Die Verfahren zur Herstellung dieser Kernreaktoren werden streng überwacht und eine Offenlegung würde als Verstoß gegen die nationale Sicherheit angesehen.

Den Rumpf herstellen

• 4 Stahlplatten mit einer Dicke von ca. 2–3 Zoll (5,1–7,6 cm) werden von Stahlherstellern bezogen. Diese Platten werden mit Acetylenbrennern auf die richtige Größe zugeschnitten.
• 5 Die geschnittenen Stahlplatten werden unter tonnenweisem Druck zwischen großen Metallrollen bewegt. Die Rollen, jede mit einem Durchmesser von etwa 28 Zoll (71,1 cm) und einer Länge von etwa 15 Fuß (4,6 m), sind so aufgestellt, dass eine Rolle auf zwei anderen ruht. Während sich die Stahlplatte unter der oberen Walze und über den beiden unteren Walzen bewegt, wird sie zu einer Kurve gebogen. Die Platte wird hin und her gerollt, bis die gewünschte Krümmung erreicht ist.
• 6 Die gebogenen Stahlplatten werden um eine Holzschablone gelegt, die die Form des Rumpfes umreißt. Sie werden dann von Hand zusammengeschweißt, um einen Abschnitt des Rumpfes zu bilden. Die Sektion wird mit einem Kran angehoben und neben eine andere Sektion gestellt. Die beiden Abschnitte werden langsam unter einem Schweißautomaten gerollt, der sie zusammenschweißt. Die rotierenden Abschnitte bewegen sich mehrmals unter dem Schweißgerät, wodurch eine extrem starke Naht entsteht.
• 7 Die geschweißten Abschnitte werden verstärkt, indem gebogene, T-förmige Stahlrippen um sie herum geschweißt werden. Diese werden durch Erhitzen hergestellt Die Herstellung eines U-Bootes ist hochkomplex und erfolgt sowohl manuell als auch automatisiert. In die Form der Innen- und Außenhülle werden große Stahlbleche gewalzt und geschweißt. Gerüste werden bei der Herstellung aufgestellt, damit die Zugänglichkeit nicht behindert wird. Jeder Aspekt der Herstellung wird durch Inspektions- und Qualitätskontrollen überprüft. Beispielsweise werden geschweißte Stahlbauteile mit Röntgenstrahlen inspiziert. Zur Dichtheitsprüfung werden Rohre mit Helium gefüllt. Infolgedessen gilt das Naval Reactors-Programm als die beste Sicherheitsbilanz aller Atomkraftprogramme. Stäbe aus Stahl, bis sie weich genug sind, um sich zu biegen. Automatische Hämmer schlagen auf die Enden der Stange und erzeugen eine dem Rumpf angepasste Kurve.
• 8 Durch das Zusammenschweißen mehrerer Abschnitte entsteht ein Innenrumpf. Der gleiche Vorgang wird wiederholt, um eine äußere Hülle zu bilden. Der Innenrumpf wird mit Stahlrippen verschweißt, die dann mit dem Außenrumpf verschweißt werden. Die Stahlrippen trennen die beiden Rümpfe und bieten Platz für die Ballasttanks, die die Tiefe des U-Bootes kontrollieren. Die Außenhülle reicht nur bis zum Boden und an den Seiten der Innenhülle, so dass das U-Boot aufrecht bleiben kann.
• 9 Inzwischen sind im Innenrumpf Stahlplatten eingeschweißt, um das U-Boot in mehrere wasserdichte Abteilungen zu unterteilen. Stahldecks und Schotten sind ebenfalls angeschweißt. Außenliegende Schweißnähte werden mit Hochgeschwindigkeits-Schleifscheiben poliert und glatt gemacht. Dies verbessert nicht nur die Oberfläche zum Lackieren, sondern verleiht dem U-Boot auch eine stromlinienförmige Oberfläche, die während der Fahrt wenig Reibung erfährt. Der Rumpf wird dann mit Schichten von Schutzbeschichtungen gestrichen.

Fertigstellen des Äußeren

• 10 Externe Komponenten wie Ruder und Propeller werden mit verschiedenen Metallbearbeitungstechniken hergestellt. Ein wichtiges Verfahren, das für viele Metallkomponenten verwendet wird, ist das Sandgießen. Bei diesem Prozess wird ein Holz- oder Kunststoffmodell des gewünschten Teils hergestellt. Das Modell wird dann von dicht gepacktem, gehärtetem Sand umgeben, der in einer Form gehalten wird. Die Hälften der Form werden getrennt, so dass das Modell entnommen werden kann. Die Form des gewünschten Teils bleibt als Hohlraum im ausgehärteten Sand. Geschmolzenes Metall wird in die Kavität gegossen und abkühlen gelassen, wodurch das gewünschte Teil entsteht.
• 11 Der Rumpf ist von einem Gerüst umgeben, sodass die Arbeiter alle Teile davon erreichen können. Die externen Komponenten sind geschweißt oder anderweitig befestigt. Bestimmte Komponenten, wie Sonarausrüstung, werden am Rumpf befestigt und dann mit glatten Stahlblechen abgedeckt, um die Reibung während der Unterwasserfahrt zu reduzieren.

Innenausbau

• 12 Große Ausrüstung wird während des Baus in der Innenhülle platziert. Kleinere Ausrüstung wird nach Fertigstellung in den Innenrumpf gebracht. Das U-Boot wird zu Wasser gelassen, bevor ein Großteil der Innenausstattung installiert ist. Nach dem Stapellauf wird das U-Boot in ein Ausrüstungsdock geschleppt, wo die Innenausbauarbeiten fortgesetzt werden. Wichtige Komponenten wie Periskope, Schnorchel, Motoren und elektronische Geräte werden installiert. Zu diesem Zeitpunkt werden auch Geräte für den Komfort der Besatzung wie Kühlschränke, Elektroherde, Klimaanlagen und Waschmaschinen installiert.
• 13 Der Kernreaktor nimmt seinen Betrieb auf, während das U-Boot seine ersten Probefahrten aufnimmt. Die Crew wird während einer Atlantikkreuzfahrt geschult. Waffen werden gestartet und getestet, oft in Gewässern vor der Insel Andros auf den Bahamas. Das U-Boot wird in einer Zeremonie offiziell in Dienst gestellt, die seine Bezeichnung von "Precommissioning Unit" (PCU) in "United States Ship" (USS) ändert. Das U-Boot durchläuft dann eine Shakedown-Kreuzfahrt, bevor es in den aktiven Dienst tritt.

Qualitätskontrolle

Die entscheidende Rolle, die es für die Landesverteidigung spielt, die Tatsache, dass das Leben seiner Besatzung von seinem ordnungsgemäßen Funktionieren abhängt, und die Gefahren, die mit seinem Kernreaktor verbunden sind, sorgen dafür, dass die Qualitätskontrolle für ein Atom-U-Boot wichtiger ist als für fast jedes andere hergestellte Produkt. Vor Baubeginn werden die Materialien, die für den Bau verschiedener Komponenten verwendet werden, auf strukturelle Mängel untersucht. Als früher ein neues Design für ein Atom-U-Boot vorgeschlagen wurde, wurde ein maßstabsgetreues Modell gebaut, um zu sehen, ob Verbesserungen vorgenommen werden könnten. Es wurden maßstabsgetreue Zeichnungen des neuen Designs angefertigt, die dann zu großformatigen Papiermustern erweitert wurden, die es ermöglichten, kleine Details genau zu studieren. Ein Modell des Innenraums in Originalgröße wurde erstellt, um den Bauherren die Möglichkeit zu geben, die Position der Komponenten anzupassen, um Platz zu sparen oder sie leichter zugänglich zu machen. Gegenwärtig werden Entwurfsmodellierung, Modifikation und Simulation durch den Einsatz von Computern verbessert.

Wenn die Stahlplatten geschnitten und gewalzt werden, um den Rumpf zu bilden, werden sie überprüft, um sicherzustellen, dass alle Abmessungen auf 0,16 cm genau sind; kleinere Teile müssen möglicherweise auf eine Genauigkeit von einem Zehntausendstel Zoll (0,00025 cm) oder weniger genau sein. Die ordnungsgemäße Verschweißung aller Stahlbauteile wird mit Röntgenstrahlen überprüft. Die Rohre werden inspiziert, indem sie mit Helium gefüllt und auf Dichtheit geprüft werden. Jedes Instrument wird getestet, um sicherzustellen, dass es richtig funktioniert. Insbesondere wird der Kernreaktor strengen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass er sicher ist. Als Ergebnis dieser Vorsichtsmaßnahmen gilt das Naval Reactors-Programm als die beste Sicherheitsbilanz aller Atomkraftprogramme.

Nachdem das U-Boot in Dienst gestellt wurde, wird es einer Shakedown-Kreuzfahrt unterzogen, um zu sehen, wie es unter Kriegsbedingungen funktionieren würde. Die Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit des U-Bootes wird getestet, um sicherzustellen, dass es die erforderlichen Anforderungen erfüllt.

Nebenprodukte/Abfälle

Die größte Sorge im Umgang mit Abfällen aus Atom-U-Booten betrifft die radioaktiven Abfälle aus Kernreaktoren. Obwohl der Abfall eines Atom-U-Bootes viel geringer ist als der eines größeren Atomkraftwerks, bestehen ähnliche Entsorgungsprobleme. Das Naval Reactors-Programm hat eine ausgezeichnete Bilanz bei der sicheren Lagerung radioaktiver Abfälle. Einige Umweltschützer haben jedoch ihre Besorgnis über die Möglichkeit geäußert, dass radioaktives Material freigesetzt wird, wenn ein Atom-U-Boot versehentlich oder während militärischer Operationen versenkt wird.

Die Zukunft

Es wird erwartet, dass Atom-U-Boote noch viele Jahre ein wesentlicher Bestandteil der Marineverteidigungssysteme bleiben. Zukünftige Designs werden neue Möglichkeiten bieten, die Geschwindigkeits- und Tiefenfähigkeiten von Atom-U-Booten zu verbessern. Die Forschung wird auch zu einer verbesserten Fähigkeit führen, feindliche Schiffe zu entdecken, während sie unentdeckt bleiben. Mit dem Untergang der Sowjetunion, der zu geringeren Verteidigungsbudgets führte, steht die US-Marine vor der Herausforderung, die Kosten für Atom-U-Boote zu senken und gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit zu erhalten. Mit diesem Ziel vor Augen wurde in den 1990er Jahren das New Attack Submarine-Programm entwickelt, mit dem Ziel, die großen und teuren Seawolf . zu ersetzen U-Boote mit kleineren, kostengünstigeren, aber ebenso effektiven Atom-U-Booten angreifen.