Fortschrittliche Composite-Materialien treiben revolutionäres fliegendes Speedboot an

Die globale Elektrifizierung des Verkehrs ist eine ungleichmäßige Entwicklung, die gleichzeitig durch die Vielzahl der Kräfte ermöglicht und behindert wird, die die Technologieentwicklung steuern und alles beeinflussen – von Automobilen und unbemannten Flugzeugen bis hin zu Schienenverkehr und Wasserfahrzeugen. Zu diesen ermöglichenden und hindernden Kräften gehören schnell reifende, aber schwere Batterien, staatliche Aufsicht, die sich manchmal nur langsam anpasst, Prinzipien von Schwerkraft und Reibung, strenge Passagiersicherheitsanforderungen, vorsichtige Versicherer und die ungleiche Entwicklung leichter Materialien.

Dennoch ermöglichen Innovationen bei Materialien, Verfahren, Hardware und Software Produkte, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren – und es gibt शायद kein besseres Beispiel dafür als die Seven, ein neues vollelektrisches, reichweitenstarkes, vollcomposite-gefertigtes Foiling-Speedboot, das von Candela Boats (Lidingö, Schweden) unter Verwendung von Harzmatrix-Lösungen von Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf-les-Martigues, Frankreich) hergestellt wird.

 

Wie wir hierher kamen

Candela Boats wurde 2014 von CEO Gustav Hasselskog gegründet, der zwar Ingenieur ist, aber zuvor als Berater und in der Konsumgüterchemie arbeitete. Nach eigener Aussage „wurde Hasselskog in der Unternehmenswelt gelangweilt“ und beschloss, sinnvollere Arbeit zu suchen. Er kündigte seinen Job 2014 und zog sich im selben Sommer mit seiner Familie in ein Haus auf einem der Schären um Stockholm, Schweden, zurück.

„Wir hatten ein 25-Fuß-Boot mit V8-Motor“, erinnert sich Hasselskog und fügt hinzu, dass jede Fahrt nach Stockholm mindestens 50 Dollar kostete. „Es fühlte sich etwas merkwürdig an, so viel Geld für ein Boot auszugeben“, sagt er. Hasselskog begann zu rechnen und fragte sich, was nötig wäre, um Freizeitbootfahren effizienter zu machen. „Was ich entdeckte“, sagt er, „ist, dass das Thema nicht angegangen wurde, um Boote effizienter und elektrisch zu machen.“

Hasselskog untersuchte den Freizeitbootmarkt weiter. Er studierte Batterie- und Elektroantriebstechnologie und ermittelte, was nötig wäre, um einem Gleitboot eine Reichweite von mindestens 50 Seemeilen zu geben – ein Ziel, das er für vernünftig hielt. Bisher war die Anwendung vollelektrischer Antriebe in Gleitbooten von Leistungs- und Reichweitenmangel geplagt, hauptsächlich wegen der Oberflächenreibung, die ein Boot überwinden muss. Zudem erfordert mehr Reichweite oder Leistung bei einem Gleitboot den Einbau weiterer Batterien, was auch Gewicht und damit Widerstand erhöht. Kurz gesagt, entdeckte Hasselskog, dass es nicht möglich war, ein Gleitboot effizienter zu machen. „Ein Gleitboot ist ein Sackgasse. Man kann es nicht effizienter machen“, sagt er. „Foiling ist der einzige Weg.“ Also verkaufte Hasselskog das Sommerhaus der Familie auf der Schäre, und 2014 wurde Candela Boats gegründet.

Foiling ist aufgrund der komplexen Hydrodynamik inhärent instabil. Candela Boats entwickelte ein raffiniertes System aus Sensoren und Steuerungen, um die Foils zu manipulieren und eine sanfte, sichere Fahrt zu gewährleisten. Quelle | Candela Boats

Foiling ist nichts für schwache Nerven

Die Hauptforderung beim Foiling liegt in der inhärenten Instabilität eines Bootes, das sich durch und über Wasser bewegt, aber nicht auf der Wasseroberfläche. Ein Foil – genauer ein Tragflügel – ist eine flügelartige Struktur, die am Bootsrumpfboden befestigt ist. Der Foil ragt senkrecht zur Fahrtrichtung ins Wasser und erzeugt, basierend auf denselben Prinzipien wie ein Flugzeugflügel, ab einer bestimmten Geschwindigkeit genügend Auftrieb, um das Boot vollständig aus dem Wasser zu heben. Der Rumpfwiderstand entfällt damit, sodass nur noch Foil-Widerstand und Luftwiderstand wirken.

Foils können verschiedene Formen annehmen, aber in allen Fällen müssen sie eine ebene Fläche bieten, die kantenfirst ins Wasser eintaucht. Und wie bei einem Flugzeugflügel kann der Anstellwinkel eines Foils im Wasser angepasst werden, um Auftrieb zu erhöhen oder zu verringern. Foils können auch in verschiedenen Wassertiefen eingesetzt werden, aber die Tiefe beeinflusst die Effizienz. Beispielsweise ist relativ flaches, oberflächenpiercendes Foiling stabiler, aber weniger effizient. Tieferes Foiling ist effizienter, aber weniger stabil.

In jedem Fall stellt das „Fliegen“ über Wasser eine völlig andere hydrodynamische Umgebung dar als die, der ein Gleitboot auf der Wasseroberfläche ausgesetzt ist. Außerhalb des Wassers und auf Foils fahrend, verhält sich ein Boot sehr anders – Gewichtsverteilung, Kurvenverhalten, Windwiderstand und unruhiges Wasser müssen sorgfältig gemanagt werden.

Foiling-Technologie, obwohl über 100 Jahre alt, wurde bisher hauptsächlich in großen Regattayachten und einigen Passagierfähren eingesetzt. Foiling-Regattayachten werden typischerweise von großen, gut trainierten Crews bemannt, die ein dynamisches, schnell bewegtes Foiling-Struktur managen können. Foiling-Fähren setzen auf oberflächenpiercendes Foiling, das, wie erwähnt, stabiler ist.

Hasselskog entschied sich, sein Speedboot so effizient wie möglich zu machen, und wählte daher tiefe Foils. Die Herausforderung bestand darin, ein tief foilendes Boot einfach, nahtlos und sicher zu betreiben, unabhängig davon, wer am Steuer sitzt. Dies erforderte die Entwicklung eines beispiellosen Foiling-Steuerungssystems und einer Bootsstruktur, die nicht nur leicht, sondern speziell fürs Foiling ausgelegt ist.

Das perfekte Foil bauen

Die Seven ist 7,7 Meter lang, 2,4 Meter breit, wiegt 1.300 Kilogramm und fasst sechs Personen. Sie nutzt zwei Foils, der größere wird etwa 2 Meter vom Bug entfernt eingesetzt. Das Design des Hauptfoils ist relativ einfach: Zwei Streben durchdringen den Rumpf und verbinden sich im rechten Winkel mit einem 2,35 Meter langen, 200 Millimeter breiten und 25 Millimeter dicken Foil. Der Foil – auch als umgekehrter Π-Foil bezeichnet – ist senkrecht zur Fahrtrichtung orientiert. Die Foil-Streben sind motorbetätigt, um den Foil abzusenken und anzuheben. Wenn das Boot nicht foilend fährt, ist der Foil vollständig eingezogen und bündig mit dem Rumpf. Bei Foiling-Geschwindigkeit wird der Foil bis zu einer maximalen Tiefe von 550 Millimetern ins Wasser ausgefahren.

Wenn die Seven nicht im Foiling-Modus ist, ziehen die beiden orangefarbenen Streben, die mit dem Foil verbunden sind und es betätigen, diesen bündig an den Rumpf. Der weiße und orange Foil ist hier direkt unter dem Rumpf und knapp über der Wasserlinie sichtbar. Quelle | Candela Boots

Am Heck befindet sich ein zweiter, kleinerer T-Foil, der auch als Ruder fungiert. Er ist mit einem 55-kW-Elektromotor verbunden, der eine Antriebswelle im Ruder betätigt, die einen Propeller am Ende des Ruders dreht. Der Motor wird von wiederaufladbaren Batterien im vorderen Rumpfbereich gespeist, um beim Foiling für Balance zu sorgen. Die Seven beginnt bei 14–15 Knoten zu foilen, fährt mit 22 Knoten Reise- und maximal 30 Knoten und hat eine Reichweite von 50 Seemeilen.

Teodor Hällestrand, Produktmanager bei Candela Boats, erklärt, dass die Foil-Streben und Foils aus Carbonfaser/Epoxid-Verbundwerkstoffen bestehen und eine erhebliche konstruktive Herausforderung darstellten. Um die für eine sanfte Fahrt erforderliche Kontrolle zu ermöglichen, musste Candela den Foil an wechselnde Bootsbedingungen anpassen können. Dies erfordert ein hochdynamisches Sensor-/Steuerungssystem gepaart mit einem hochreaktionsfähigen Foil. „Der Foil ist gerade, aber wir wollten ihn im Wasser verdrehen können, abhängig von Geschwindigkeit, Roll-, Nick- und Gierwinkel“, sagt Hällestrand. „Wir können verstehen, wie das Boot positioniert ist, und dann die Orientierung anpassen, um die Fahrt so sanft wie möglich zu machen.“ Dies wird durch das Steuerungssystem erreicht, das die Streben dynamisch anpasst, um entweder den Anstellwinkel des Foils zu ändern oder den Foil zu verdrehen, besonders in Kurven.

Hasselskog sagt: „Wir müssen in der Lage sein, den vorderen Foil zu verdrehen oder einen anderen Anstellwinkel zu geben.“ All diese Aktionen geschehen unter Last, sagt er, „also brauchen wir ein Material mit niedriger Torsionssteifigkeit, aber hoher Biegesteifigkeit.“ Das Ergebnis ist ein „ziemlich aufwendiger Lagenaufbau“, der unidirektionale (UD) Carbonfaserbänder (hauptsächlich ±45 Grad) verwendet, um die erforderliche Steifigkeit und Biegefähigkeit zu erreichen. Der Foil verwendet Standardmodul-Carbonfaser von verschiedenen Lieferanten und wird mit SR1710-Epoxidharz von Sicomin Epoxy Systems infundiert. Der Foil härtet bei Raumtemperatur aus, gefolgt von einer 40 °C Nachhärtung.

Kein durchschnittlicher Rumpf

Nirgends wird die Abkehr der Seven von Gleitboot-Designstandards deutlicher als im Rumpf – sowohl im Design als auch in der Konstruktion. Am auffälligsten ist, dass der Rumpf zwar einen standardmäßigen V-förmigen, wellenbrechenden Bug aufweist, aber von den vorderen Foils bis zum Heck flach ist. Hasselskog nennt dafür mehrere Gründe.

Das Innere des Seven-Rumpfs zeigt die Stringer und Spanten, die aus Carbonfaser/Epoxid-Composite-Laminaten zugeschnitten und dann mit Klebstoff und mechanischen Befestigungen eingebaut werden. Diese Architektur ermöglicht Candela Boats, Rümpfe schnell zu montieren, und bietet Flexibilität bei Designänderungen. Quelle | Candela Boats

Erstens, sagt er, „brauchen wir die V-Form nur, um durch die Wellen zu brechen.“ Sie schützt auch die Foils, wenn das Boot nicht foilend fährt. Zweitens vereinfacht die flache hintere Rumpfhälfte die Fertigung und spart viel Gewicht. Drittens, sagt er, macht der flache Boden das Boot am Anleger unglaublich stabil für Ein- und Ausstieg. „Es ist wie ein Lastkahn“, merkt er an.

Im Rumpfinneren jedoch hat Candela daran gearbeitet, die Seven nicht nur strukturell solide, sondern auch an effiziente, relativ hochfrequente Fertigung anzupassen. Hällestrand sagt, der Rumpf sei im Design mit einem Flugzeug-Rumpf vergleichbar – eine Haut, die ein Gitter aus Stringern und Spanten umgibt. Wie der Foil wird der Rumpf infundiert, mit denselben UD-Carbonfasern und SR1710-Epoxid, gefertigt auf Composite-Werkzeugen, die ebenfalls mit SR1710 hergestellt wurden. Rumpfdicke unter der Wasserlinie: 3 Millimeter; über der Wasserlinie: 2 Millimeter.

Marc Denjean, Exportmanager bei Sicomin, sagt, der SR1710 sei ein Hochleistungs-Epoxidsystem, das „weit überdurchschnittliche mechanische Eigenschaften“ bietet. Sicomin liefert auch einen In-Mold-Epoxid-Hochbau-Grundierer, sodass der Rumpf entformt lackierfertig ist.

Für den Bau der Stringer und Spanten beginnt Candela mit 3 Millimeter dicken Voll-Laminat-Carbonfaser/Epoxid-infundierten Platten und fräst diese per CNC in Form, je nachdem, wo im Rumpf das Laminat platziert wird. Zum Aufbau der Rumpfstruktur – Stringer und Spanten – werden diese zugeschnittenen Formen dann zusammengefügt und mit Klebeverbindung und mechanischen Befestigungen aneinander und am Rumpf befestigt.

Der Batteriepack der Seven befindet sich im vorderen Rumpfbereich, um beim Foiling die nötige Balance zu gewährleisten.

Quelle | Candela Boats

Dieser Laminat-Zuschnitt-und-Montage-Design/Fertigungsprozess, so Hasselskog, habe sich als hocheffizient erwiesen und erlaube Candela Boats, die Rumpfstruktur in nur 40 Stunden zu bauen. Er erlaube auch, interne Strukturen einfach an Designänderungen anzupassen, ohne den Aufwand und die Zeit, die zur Modifikation von Formen nötig wären. „Es ist einfach zu skalieren, Änderungen vorzunehmen oder neue Strukturen zu bauen, indem man nur den Fräscode ändert“, sagt er.

Das Fazit

Getreu Hasselskogs ursprünglicher Vision ist die Effizienz der Seven schwer zu schlagen – sie ist 4- bis 5-mal energieeffizienter als ein vergleichbares benzinbetriebenes Gleitboot und wandelt 90 % seiner chemischen Energie in mechanische Energie um. Weiterhin betragen die Besitzkosten der Seven laut Candela 95 % weniger als bei einem benzinbetriebenen Gleitboot.

Das Unternehmen hat 190 Bestellungen für die Seven und erwartet, 2020 40 Boote zu montieren. Hasselskog sagt, Candela sei derzeit nur Bootsdesigner und -monteur. Die Fertigung der Composite-Strukturen erfolgt durch Dritte, aber Hasselskog sagt, Candela könnte diese Arbeit intern verlagern, um Fertigungsprozesse zu optimieren und letztlich den CO₂-Fußabdruck des Unternehmens zu reduzieren. „Wir müssen unsere Kosten senken, und das bedeutet effizientere Fertigung“, sagt Hasselskog. „Wir sind noch nicht da, aber wir gehen in die richtige Richtung.“