Was würde die Größe eines segelgetriebenen Seefrachtschiffs mit modernen (oder nahen Zukunfts-)Technologien begrenzen, und wie groß könnten wir werden?

Keine Grenzen*, aber geh mit Drachen.

Sie können mehr auf Wikipedia lesen . Um es kurz zu machen, Drachensegel werden bereits auf Schiffen unterschiedlicher Größe verwendet, insbesondere auf großen. Sicher, nicht als einziges Antriebssystem, aber nicht wegen der fehlenden Leistung. Das Problem liegt in der Unberechenbarkeit des Windes, aber das trifft auf eure Welt nicht zu.

Aktuelle Drachen ergänzen bis zu 20 % der Leistung eines Frachtflugzeugs. Aber das wird durch die Tatsache begrenzt, dass diese Frachter nicht gebaut wurden, um gezogen, sondern geschoben zu werden; es ist eine Nachrüstung. Die Verwendung eines 5-mal größeren Kites mit dafür ausgelegtem Rumpf, mit stärkerer Front und leichterem Heck, sollte kein technologisches Problem sein. Sollte das Schiff nicht einmal wesentlich anders aussehen lassen.

* Natürlich gelten weiterhin alle üblichen Größenbeschränkungen, es kommen nur keine neuen Beschränkungen durch die Verwendung von Kite hinzu.

Ich habe zwar nicht die Mathematik, um das herauszufinden, aber einige Beispiele aus der realen Welt deuten darauf hin, dass Sie tatsächlich eine ziemlich beeindruckende Leistung erzielen könnten, wenn Sie Ihre Denkweise über die Segel ändern.

Der America's Cup hatte ein Problem, als die Designer anfingen, weit über den Tellerrand hinauszugehen. Riesige Katamarane mit Flügelsegeln sind streng genommen keine Yachten, aber sie bewegten sich sicherlich viel schneller als jeder denkbare Einrümpfer. Die Effizienz eines Flügels gegenüber einem Stoffsegel bei der Umwandlung der Windenergie in Bewegung ist der Schlüssel:

Wie Sie in der Grafik sehen können, muss der "Flügel" natürlich riesig sein, oder Sie müssen das Deck mit Flügeln besetzen, so etwas wie einen Dreidecker, der auf die Seite gelegt wird.

Es gibt sogar noch extremere Konstruktionen, wie zum Beispiel den Geschwindigkeitsweltrekordhalter „ Sailrocket “, bei dem das Segel sowohl Auftrieb als auch Schub bietet. Wie praktisch dies für ein Frachtschiff wäre, ist fraglich, aber ein schnelles Paket, um wertvolle Fracht oder Post zu transportieren, könnte diese Art von Technologie nutzen

Vestas SailRocket

Der Schlüssel zu diesen beiden Konstruktionen ist das steife Segel, das keine Energie durch Biegen oder Schlagen wie ein nicht steifes Segel abführt. Selbst ein Schoner-Takelschiff, das die Takelage durch drei Flügel ersetzt, sollte allein aus diesem Grund eine erhebliche Leistungssteigerung erfahren.

Wenn Sie also keine Lust auf Kitesegel haben, dann sind Flügelsegel der richtige Weg.

Ein Segelschiff könnte so groß wie ein moderner Supertanker konstruiert werden, wenn wir das wollten. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie wir Windenergie nutzen könnten, um das Schiff zu bewegen. Das sogenannte „Rotorschiff“-Konzept ist eines davon. Wir können Türme von Windkraftanlagen anstelle von Segeln verwenden, die Wind aus jeder Richtung und im Grunde jede Geschwindigkeit und jeden Seegang nutzen können. Kombinieren Sie dies mit Drachensegeln, die wenn möglich eingesetzt werden, und Sie haben eine sehr effiziente Kombination, die Ihr Schiff zuverlässig bewegt, wenn überhaupt Wind vorhanden ist.

Die maximale Größe ist eher eine Funktion der Materialtechnologie als der Art des Antriebs. Mit moderner Materialtechnologie können wir ein Segelschiff in nahezu jeder gewünschten Größe bauen. Offensichtlich ist es nicht so zuverlässig wie Strom aus fossilen Brennstoffen, aber das ist ein anderes Thema.

Das größte jemals gebaute Segelschiff ohne Hilfsmotor war die Thomas W. Lawson mit 145/120 m, Mast-Heck/Deck, ein Drittel der Größe eines Supertankers. Dieses Schiff wurde ironischerweise für den Transport von Öl und Kohle entwickelt.

Die Hauptbeschränkungen dieses Schiffes waren die Schwierigkeiten, es in der Nähe von Häfen zu handhaben. Wenn so große Schiffe üblich waren, mussten die Häfen dafür ausgestattet werden.

Ich würde mir gerade Docks vorstellen, nebeneinander gesäumt, mit einziehbaren Brücken, die sie verbinden. Jedes Schiff würde mit einem Schienensystem in seinen Slot geführt und dann den Hafen in der entgegengesetzten Richtung verlassen, wodurch die Notwendigkeit enger Kurven entfällt.

Es ist wichtig anzumerken, dass Schlepper völlig unmöglich wären, aber durch die Optimierung großer Häfen auf die obige Weise werden wir den problematischsten Aspekt von segelgetriebenen Superschiffen los.

Solche großen Schiffe würden immer noch schrecklich gieren und sehr starke Winde benötigen, um auf Kurs zu segeln. Es ist wahrscheinlich, dass diese Größe die größtmögliche ist, und es ist durchaus möglich, dass ein solches Schiff zu groß wäre, um in großen Mengen praktisch eingesetzt zu werden.

Moderne Ballasttechnologie könnte verwendet werden, um die Möglichkeit eines zu starken Gierens und potenziellen Kenterns zu verhindern, aber keine Technologie kann den verfügbaren Wind erhöhen.

Eine Idee wäre, Schiffe breiter zu machen und sie möglicherweise mit zwei Segeln nebeneinander auszustatten, aber ich habe keine Ahnung, ob dies das Deck zu stark belasten würde, und ich vermute, ein solches Schiff würde sich selbst auseinanderreißen.

Ich würde sagen, Sie könnten die großen Segelschiffe von 1900 leicht um den Faktor zwei (-> 220 m lang oder so) skalieren, was einen Faktor acht in der Tonnage ergibt (-> 40 000 Tonnen). Moderne Materialien und Technologie halten die Besatzungsgröße in der gleichen Region, 40-50 Personen. Der Wechsel von vollgetakelten zu Schoner-Rigs oder Mehrmast-Schaluppen ist mit modernen Stoffen möglich und hält die Besatzungsgröße weiter niedrig.

Die Geschwindigkeit von praktisch jeder Art von Schiff skaliert mit der Quadratwurzel der Länge, sodass Sie im Durchschnitt etwa 14 Knoten erreichen, es sei denn, Sie haben eine Route mit nur sehr wenig Wind. Auch hier helfen moderne Wettervorhersagen.

Hafenmanöver werden durch ein elektrisches Bugstrahlruder unterstützt, das von einem Schleppboot (Pusher) angetrieben wird, das mit an Land aufgeladenen Batterien betrieben wird. Das Schleppen war zu dieser Zeit ein großes Problem, als leicht ungünstige Windverhältnisse im Hafen es den Schlepperbesitzern ermöglichen konnten, den Gewinn der gesamten Reise zu erpressen. Auf jeden Fall etwas, das Sie organisieren möchten. Oder Sie verbrauchen einen kleinen Teil der während der Reise zur Verfügung stehenden Windkraft für die Wasserelektrolyse und machen Hafenmanöver mit Ihrem eigenen Wasserkraftgenerator. Wahrscheinlich lohnenswert, Sie wollen auf jeden Fall Hochleistungs-Notmotoren haben.

Da Sie über vorhersehbare Windenergie verfügen, könnten Sie möglicherweise Windparks (nicht an Schiffe angeschlossen) errichten, die Strom zum Antreiben großer Elektromotoren erzeugen. Solange Sie einen Energiespeicher für diesen Strom haben (große, effiziente Batterien), können Sie vielleicht Motorboote ähnlich denen bauen, die wir heute mit Elektromotoren anstelle von Verbrennungsmotoren haben. Eine andere Alternative, wenn Batterien fehlen, könnte ein Boot sein, so etwas wie ein Flugzeugträger mit Windturbinen oben, die einen Elektromotor darunter antreiben.

Allerdings ist es wahrscheinlich weniger effizient, von Wind zu Elektro zu Antrieb zu wechseln, als direkt von Wind zu Antrieb zu wechseln, aber ich glaube nicht, dass Sie sich durch Dinge wie die Mastgröße einschränken müssen, wenn Sie eine Vorhersehbarkeit haben Energiequelle irgendwo und eine Möglichkeit, diese Energie zu speichern und später wieder abzurufen.

Technisch gesehen hat die Frage nach der Größenbeschränkung viel mit der Gewichtsbeschränkung eines Flugzeugs zu tun. Sie müssen die Festigkeit der verfügbaren Materialien berücksichtigen, wenn sie Kräften ausgesetzt sind, die versuchen, sie zu biegen oder zu knicken. Mit zunehmender Länge wird es schnell unmöglich, einen ausreichend steifen Flügel (Flugzeug) oder Mast (Segel) herzustellen.

Ich weiß nicht, was diese Grenze für ein Schiff bedeutet, das auf seiner Länge ziemlich viele Segel haben kann. Für ein Flugzeug sind die vorhandenen schweren Militärtransporter ziemlich nah am Limit.

Ein Drachen stellt eine Ausnahme dar, da er aus Stoff und Kabeln besteht, die alle unter Spannung stehen. Nichts starres, das gebrochen oder geknickt werden könnte. Gleicher Vorteil wie eine Hängebrücke gegenüber jeder starren Brücke.

Würden Sie einen Flettner-Roter mit Magnus-Effekt als „Segel“ zählen?

Veritasium hat ein Video über den Magnus-Effekt und seine Verwendung in Booten und Flugzeugen . Diese Boote mit rotierenden Zylindern anstelle (oder zusätzlich zu) traditionellen Segeln können ziemlich groß werden. Ein Gizmodo-Artikel bezeichnet sie als Megaschiffe und beschreibt Flettner-Rotoren, die an einem 110.000 dwt (Suezmax)-Tanker nachgerüstet werden. Die Effizienzgewinne sind schwierig zu berechnen , und diese Flettner-Rotoren sind für den ergänzenden Einsatz zusätzlich zu einem vorhandenen Motor gedacht, aber bei vorhersehbareren Windbedingungen wären die beteiligten Berechnungen einfacher und dieser Schiffstyp könnte üblich werden.

Abgesehen von den offensichtlichen Materialproblemen usw. müsste das Segel umso größer sein, je größer das Schiff ist, um einen ausreichenden Luftwiderstand (oder was auch immer) zu haben, aber es würde einen Punkt geben, an dem der Mast und das Segel riskieren würden, das Schiff aus dem Gleichgewicht zu bringen (es sei denn, es wäre so war extrem breit oder hatte ein extrem großes Schwert), also denke ich, dass das ein einschränkender Faktor wäre, ein Drachen wäre auch eine gute Idee ...