Wie kann man den Herausforderer tief mit einer Dampfmaschine erobern?

Überblick

Ein Hauptproblem für ein dampfbetriebenes U-Boot, das in große Tiefen fährt, besteht darin, dass die Dampfkraft einen Überschuss an Sauerstoff zur Verbrennung benötigt. Druckluftsysteme wurden damals als Spitzentechnologie entwickelt, verbesserten die Situation jedoch nur geringfügig.

Bis Anfang des 20. Jahrhunderts praktische elektrische Batterien und Motoren entwickelt wurden, konnten U-Boote mit einer Ausnahme nur wenige Dutzend Fuß unter der Oberfläche fahren und mussten von Hand angetrieben werden (im Grunde verherrlichtes Rudern), da sie keinen Kraftstoff in den Kesseln verbrennen konnten um das Schiff in Betrieb zu halten, oder mussten sich auf einen Schnorchel über dem Meeresspiegel verlassen und waren im Grunde nur Oberflächenschiffe mit dem größten Teil ihres Tiefgangs unter Wasser.

Das andere große Problem war, dass man jetzt ein U-Boot gebaut hatte, das stark genug war, um einem Meeresdruck standzuhalten, der größer war als der, der in dieser Zeit in 500 Metern Tiefe vorgefunden wurde.

Einige der bemerkenswerten historischen Entwicklungen entlang dieser Linie werden unten diskutiert, gefolgt von einem alternativen Ansatz, der plausibler wäre. Aber ein Hybrid aus einigen dieser Technologien, angepasst, um einige der verzichtbaren Ideen (z. B. elektrische Beleuchtung), die erst später entwickelt wurden, zu entfernen, macht das Konzept zumindest vorstellbar und möglich.

Ein dampfbetriebenes Beinahe-Tauchboot: Der USS Monitor

Die USS Monitor (oben abgebildet, wie sie auf See erschien) war ein dampfbetriebenes Kriegsschiff, das 1861 in Dienst gestellt und während des US-Bürgerkriegs eingesetzt wurde, das mit Dampf und Luft aus einem Schnorchel betrieben wurde und größtenteils, aber nicht vollständig unter Wasser war.

Das erste dampfbetriebene U-Boot

Das erste dampfbetriebene U-Boot, das jemals gebaut wurde, das Ictíneo II, dessen Rekonstruktion oben abgebildet ist (basierend auf einem Vorgänger von 1859), wurde 1867 zu Wasser gelassen und über zwei Jahre für etwa zwanzig Tauchgänge betrieben. Möglich wurde dies durch das weltweit erste luftunabhängige Antriebssystem, eine Leistung, die in den 1940er Jahren etwa 70 Jahre lang nicht wiederholt wurde. Es hatte eine theoretische maximale Tiefe von 500 Metern, wurde aber nie tiefer als 50 Meter betrieben und konnte theoretisch bis zu acht Stunden unter Wasser bleiben.

Ictíneo (abgeleitet von den griechischen Wörtern für Fisch und Schiff) wurde 1859 im Hafen von Barcelona vom Stapel gelassen. . . . Das U-Boot aus Olivenholz, das mit Eichenringen gestützt und mit zwei Millimeter dickem Kupfer ummantelt war, war nur 23 Fuß (7 Meter) lang und bot kaum genug Platz für den Kapitän und die vierköpfige Besatzung, die das Schiff durch Kurbeln antrieb. . . .Gewichte konnten im Notfall sofort abgeworfen werden, um schnell aufzutauchen. Die Glasöffnungen an der Seite, der Oberseite und der Nase wurden so konstruiert, dass der Wasserdruck sie in den Rumpf drücken kann, wodurch Lecks praktisch unmöglich werden. . . . Das Innere des U-Bootes wurde von einer Kerze beleuchtet, die kostbaren Sauerstoff verbrauchte, obwohl sie als integraler Indikator diente, wenn der Sauerstoff zur Neige ging. . . . Die Maschine konnte 2 Stunden unter Wasser bleiben und bis zu einer Tiefe von 20 Metern tauchen. . . . Robert Fulton, ein damals in Frankreich lebender Amerikaner, entwarf die erfolgreiche „Nautilus“, die 1800 in der Seine getestet wurde. Sie konnte mit Druckluft 5 Stunden lang unter Wasser bleiben. Der deutsche Erfinder Wilhelm Bauer brachte 1850 seinen „Brandtaucher“ und 1856 seinen „Seeteufel“ zu Wasser (beide sanken). Der amerikanische Erfinder Horace Hunley startete 1863, einige Jahre später, "HLHunley", das erste U-Boot, das ein feindliches Kriegsschiff versenkte (und das erste, das selbst dreimal sank und 25 Menschen tötete). . . Egal, wie hochmodern die Ictíneo im Vergleich zu ihren vielen Zeitgenossen war, sie hatte immer noch die gleichen grundlegenden Nachteile, die viele U-Boote der damaligen Zeit besaßen: eine begrenzte Reichweite aufgrund der begrenzten Luftversorgung und eine sehr niedrige Geschwindigkeit. Alle frühen U-Boote wurden von menschlichen Muskeln angetrieben,

Die Nautilus war mit einem Segel ausgestattet, konnte aber offensichtlich nur an der Oberfläche segeln. Unter Wasser wurde das Schiff von einer Schraubenschraube angetrieben, die von Hand gedreht wurde. Der Ictíneo verwendete Tretkraft und benötigte 4 Männer, um eine Geschwindigkeit von 1 Meile pro Stunde zu erreichen (ungefähr die gleiche Geschwindigkeit wie das Unterwasserruderboot, das 3 Jahrhunderte zuvor entworfen wurde). Dieses Tempo reichte nicht immer aus, um die Auswirkungen von Strömungen und Gezeiten zu überwinden. . . .

Als die Ictíneo I im Hafen von Barcelona von einem Frachter zerquetscht wurde, beschloss Monturiol, ein größeres U-Boot zu konstruieren, das mit Dampf angetrieben wurde. Die Ictíneo II, mehr als doppelt so lang wie die Ictíneo I, wurde zwischen 1864 (mit Menschenkraft) und 1867 (mit Dampfkraft) vom Stapel gelassen. Es wurde das erste U-Boot mit Verbrennungsmotor der Welt.

Man dachte damals, dass es fast unmöglich sei, eine Dampfmaschine unter Wasser zu betreiben, weil sie den gesamten Sauerstoff verbrauchen und das Innere des Schiffes in einen Ofen verwandeln würde. Um dies zu überwinden, erfand Monturiol einen chemischen Ofen, der auf einer Reaktion zwischen Kaliumchlorat, Zink und Mangandioxid basiert – ein Prozess, der genug Wärme erzeugte, um Wasser zum Betreiben der Dampfmaschine zu kochen. Um diesen Einfallsreichtum zu ergänzen, gab die Reaktion Sauerstoff als Nebenprodukt ab.

Monturiol hatte die beiden grundlegenden Hindernisse für U-Boot-Erfinder erfolgreich gelöst: Luftversorgung und mechanische Energie. Tatsächlich erfand er eine frühe Form des anaeroben (luftunabhängigen) Antriebs, der erst in den 1940er Jahren mit der Walter-Turbine in Deutschland und schließlich mit dem ersten Atom-U-Boot, der USS Nautilus, wiederholt wurde.

Der Ictíneo II war der erste seiner Art, der seinen eigenen Sauerstoff lieferte, ohne regelmäßig aufzutauchen oder einen Schnorchel zu verwenden, wie es bei der Nautilus zu sehen war. . . . Aufgrund der vielen Maschinen im Schiff passten nur 2 Mann in das U-Boot, das ursprünglich für eine Besatzung von 20 Personen ausgelegt war. Die Ictíneo II absolvierte fast 20 problemlose Demonstrationsfahrten. Es konnte acht Stunden lang unter Wasser bleiben und bis zu einer Tiefe von 50 Metern tauchen. Monturiol berechnete, dass die maximal mögliche Tiefe 500 Meter betragen würde, entschied sich jedoch, das Risiko eines Tauchgangs in diese Tiefe nicht einzugehen.

1868, kurz nach ihrem Stapellauf, wurde die bahnbrechende Ictíneo II von der Werft beschlagnahmt und zusammen mit ihrem Vorgänger verschrottet. Der Grund? Monturiol konnte die Rechnungen nicht bezahlen.

Das einzige andere berühmte dampfbetriebene U-Boot

Die berühmtesten historischen dampfbetriebenen U-Boote waren die britischen U-Boote der K-Klasse , die 1913 entworfen wurden und letztendlich als großer Misserfolg angesehen wurden (das Foto oben zeigt eines, das auf Grund lief).

Die U-Boote wurden gefährlicher, weil die acht inneren Schotte während der Entwicklung so konstruiert und getestet wurden, dass sie einem Druck standhalten, der nur 21 m (70 Fuß) entspricht , und riskierten ihren Zusammenbruch, wenn der Rumpf in einer Tiefe unter dieser Zahl beeinträchtigt wurde. . . . Ein Tauchgang von einem dampfbetriebenen Oberflächenbetrieb dauerte normalerweise 30 Minuten. Minimale Zeit, die benötigt wird, um die Hauptmotoren zu sichern, Umstellung auf Batteriemotorenund Tauchen unter Notfallbedingungen betrug fast 5 Minuten, was zwar besser als die 15 Minuten des Swordfish-Prototyps war, aber als kaum angemessen angesehen wurde. Die Kesselbrände wurden zuerst gelöscht, um eine Ansammlung von Dämpfen unter Wasser zu verhindern: Eine komplizierte Reihe hydraulischer und mechanischer Stangen und Hebel senkte die Doppeltrichter voneinander weg in eine horizontale Position in Brunnen im Aufbau und schloss gleichzeitig Luken über den Trichteraufnahmen . Die Haupteinlassventilatoren wurden ebenso geschlossen wie Seewasseranschlüsse für Kondensatoren und Kesselspeisung. Es wurde angenommen, dass die U-Boote mit ihrer Geschwindigkeit von 24 Knoten (44 km / h) fast jeder Bedrohung ausweichen und davonlaufen könnten, wenn sie an der Oberfläche angegriffen würden, ohne dass ein schneller Tauchgang erforderlich wäre. Das war vielleicht Wunschdenken,

Die am häufigsten zitierte Beschwerde über die Klasse war, dass die U-Boote "zu viele verdammte Löcher ..." oder Öffnungen im Druckkörper hatten, die gesichert werden mussten, bevor ein Tauchgang beginnen konnte, von denen die meisten Luft- / Seezugang zu Teilen der Klasse ermöglichten Boot während des Tauchens normalerweise unbemannt.

Ein schwerwiegenderes Problem waren die hohen Temperaturen im Heizraum, die teilweise durch die Installation größerer Ventilatoren gemildert wurden. Das Dämpfen mit hoher Geschwindigkeit neigte dazu, den Bug ins Wasser zu drücken, was die ohnehin schlechte Seehaltung noch schlimmer machte. Um dies zu beheben, wurde ein bauchiger Schwanenbogen hinzugefügt, der auch einen "schnell blasenden" Ballasttank enthielt, um die Handhabung zu verbessern. Trotzdem gab es noch Probleme; Am peinlichsten war, dass bei einem schweren Sturm Meerwasser durch die kurzen Doppeltrichter in das Boot eindringen und die Kesselbrände löschen konnte. . . . K3 hielt den inoffiziellen Rekord für die maximale Tauchtiefe (81 m) nach einem unkontrollierten Abstieg zum Grund des Pentland Firth. Das Schiff schaffte es, ohne weitere Schwierigkeiten aufzutauchen, obwohl es einen nicht aufgezeichneten Zeitraum unterhalb der „Brechtiefe“ verbracht hatte.

Eine verbesserte spätere Version erreichte eine maximale Tauchtiefe von 250 Fuß (76 m).

Alternativlösungen

Ein alternativer Ansatz wäre gewesen, eine sehr starke Taucherglocke oder Bathysphere (siehe oben) zu bauen, die mit einer Winde von einem dampfbetriebenen Schiff an der Oberfläche angehoben und abgesenkt wurde.

Die Bathysphere (griechisch: βαθύς, bathus, „tief“ und σφαῖρα, sphaira, „Kugel“) war ein einzigartiges kugelförmiges Tiefsee-Tauchboot, das nicht angetrieben und an einem Kabel in den Ozean abgesenkt wurde und zur Durchführung einer Reihe von Tauchgängen verwendet wurde vor der Küste von Bermuda von 1930 bis 1934. Die Bathysphere wurde 1928 und 1929 von dem amerikanischen Ingenieur Otis Barton entworfen, um vom Naturforscher William Beebe zum Studium der Unterwasserwelt verwendet zu werden. Beebe und Barton führten gemeinsam Tauchgänge in der Bathysphäre durch und markierten damit das erste Mal, dass ein Meeresbiologe Tiefseetiere in ihrer natürlichen Umgebung beobachtete. Ihre Tauchgänge stellten mehrere aufeinanderfolgende Weltrekorde für den tiefsten Tauchgang auf, der jemals von einem Menschen durchgeführt wurde. Der Rekord, der am 15. August 1934 vom tiefsten von ihnen in einer Tiefe von 3.028 Fuß aufgestellt wurde, hielt an, bis er 1949 von Barton gebrochen wurde.

Ab den späten 1920er Jahren betrug die tiefste Tiefe, die Menschen mit Taucherhelmen sicher absteigen konnten, 100 Fuß, da jenseits dieses Punktes der Druck zu groß wird. U-Boote der damaligen Zeit waren auf maximal 383 Fuß abgestiegen, hatten aber keine Fenster, was sie für Beebes Ziel, Tiefseetiere zu beobachten, unbrauchbar machte. Die tiefste Tiefe im Ozean, die ein Mensch zu diesem Zeitpunkt hinabgestiegen war, war 525 Fuß in einem gepanzerten Anzug, aber diese Anzüge machten auch Bewegung und Beobachtung extrem schwierig. Was Beebe zu schaffen hoffte, war ein Tiefseeschiff, das sowohl in eine viel größere Tiefe abtauchen konnte, als jeder Mensch bisher abgestiegen war, und es ihm auch ermöglichen würde, die Tierwelt der Tiefsee klar zu beobachten und zu dokumentieren.

Bartons Design verlangte nach einem kugelförmigen Gefäß, da eine Kugel die bestmögliche Form ist, um hohem Druck standzuhalten. Die Kugel hatte Öffnungen für drei 3 Zoll (76 mm) dicke Fenster aus geschmolzenem Quarz, dem stärksten transparenten Material, das damals erhältlich war, sowie eine 400-Pfund-Eingangsluke, die vor einem Abstieg verschraubt werden musste. Zunächst wurden nur zwei der Fenster auf der Kugel montiert, und anstelle des dritten Fensters wurde ein Stahlpfropfen montiert. Sauerstoff wurde aus Hochdruckzylindern zugeführt, die innerhalb der Kugel getragen wurden, während Pfannen mit Atemkalk und Calciumchlorid innerhalb der Wände der Kugel angebracht waren, um ausgeatmetes CO2 und Feuchtigkeit zu absorbieren. Die Luft sollte von den Insassen der Bathysphere mit Hilfe von Palmblattventilatoren an diesen Tabletts vorbei zirkuliert werden.

General Electric stellte eine Lampe zur Verfügung, die direkt in einem der Fenster montiert werden sollte, um Tiere außerhalb der Kugel zu beleuchten, und Bell Laboratories stellte ein Telefonsystem zur Verfügung, über das Taucher innerhalb der Kugel mit der Oberfläche kommunizieren konnten. Die Kabel für das Telefon und die Stromversorgung der Lampe wurden in einem Gummischlauch versiegelt, der durch eine Stopfbuchse in den Körper der Bathysphere führte. . . . Nachdem die ursprüngliche Version der Kugel im Juni 1929 gegossen worden war, stellte sich heraus, dass sie zu schwer war, um von der Winde angehoben zu werden, mit der sie in den Ozean abgesenkt werden sollte, sodass Barton die Kugel schmelzen und neu gießen musste . Das endgültige, leichtere Design bestand aus einer Hohlkugel aus 25 mm (1 Zoll) dickem Stahlguss mit einem Durchmesser von 1,5 m (4,75 Fuß). Sein Gewicht betrug 2,25 Tonnen über dem Wasser,

Während dies tatsächlich 1928 entwickelt wurde, existierte laut einem früheren StackExchange-Beitrag zum Thema die erforderliche Technologie bereits Ende des 19. Jahrhunderts.

Es scheint, dass die Stärke der Winde und nicht die Fähigkeit der Struktur, dem Druck standzuhalten, der begrenzende Faktor für die maximale Tiefe der Bathysphäre war, und das ist ein Problem, das im Dampfzeitalter durch eine ehrgeizigere Finanzierungsquelle hätte überwunden werden können.

Der Druck am Boden des Marianengrabens beträgt etwa 8 Tonnen pro Quadratzoll ... etwa 1000 Atmosphären. Sie können Wasser nicht heiß genug machen, um bei dieser Temperatur zu kochen, daher müsste sich Ihr Kessel im Druckbehälter des U-Bootes befinden.

Eine Dampfmaschine braucht eine Wärmequelle ... viel Wärme. Das heißt, Sie müssten neben der Feuerkammer und dem Kessel in einer versiegelten Stahldose sitzen.

Ihnen würde also sehr schnell die Luft ausgehen, Sie haben dort ein Feuer, nicht nur ein paar Leute, die Leute, die es versuchen, würden an Erstickung sterben, lange bevor sie so tief werden. Es ist schlimmer, als einen Verbrennungsmotor in einem versiegelten Container zu betreiben ... U-Boote konnten niemals mit Diesel- oder Benzinmotoren unter der Oberfläche fahren, sie brauchten entweder Entlüftungsrohre oder sie liefen mit Batterien, wenn sie vorher tiefer als knapp unter der Oberfläche fuhren Atom-U-Boote. Schauen Sie sich das „Beste“ an, das mit Dampf- und Unterwasserschiffen in den 1860er Jahren erreicht werden konnte ... die USS Monitor zum Beispiel, die gesunken ist, weil Wasser durch Lüftungsschlitze eingedrungen ist

Wenn Sie eine Dampfmaschine in einem U-Boot betreiben, müssen Sie den Antrieb zu Propellern außerhalb des Druckbehälters bringen. Sie benötigen also rotierende Dichtungen, die einem Druck von 1000 Atmosphären standhalten, ohne zu lecken. Das ist eine große Nachfrage nach Technologie, die gerade erst die Dampfmaschine erfindet.

In einer frühen Dampfära müssen Sie also eine Wärmequelle haben, die kein Feuer beinhaltet (Sie brauchen eine funktionierende Nuklearindustrie?), Und Sie brauchen eine Möglichkeit, durch einen Druckbehälter zu fahren (Sie brauchen funktionierende Generatoren und Elektromotoren ?). Sie fordern einen sehr unausgewogenen Entwicklungszyklus, eine Welt mit Kernreaktoren und Generatoren, die noch keine Dampfmaschinentechnologie hat ... das ist ein bisschen so, als würde man erwarten, dass mittelalterliche Ritter mit Lichtschwertern ausgestattet werden.

Es ist unmöglich, weil Challenger Deep zu Dampfmaschinenzeiten nicht sehr bekannt war.

Challenger Deep wurde 1875 gefunden, aber seine wahre Tiefe war erst in den 1950er Jahren bekannt. Ein hypothetisches U-Boot, das 1876 versuchte, es zu erreichen, würde nur für eine Höhe von 8.000 Metern ausgelegt sein. Aber es ist wirklich tief ist 11.000.

In seinem Buch „ Seven Miles Down“ erzählt Jacques Piccard, dass er nur zehn Jahre vor seiner historischen Reise zum Grund der Tiefe im Jahr 1960 glaubte, der Philippinische Graben sei der tiefste Ort der Erde.