Schiffbau

Ein Hochseefrachter muss einiges aushalten. Nur wenn er perfekt gebaut ist, schwimmt er sicher und profitabel. Bei der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt (HSVA) lassen Reedereien und Werften ihre Konstruktionspläne optimieren – in aufwendigen Versuchen mit maßstabsgetreuen Holzmodellen.

Eine Türklinke kann verräterisch sein. Besonders wenn sie fehlt. Wann immer Jürgen Friesch sein Arbeitszimmer betreten will, muss er aufschließen – viele Male am Tag. Die weiß gestrichene Holztür zum Büro des Geschäftsführers der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt (HSVA) hat nämlich keine Klinke, sondern nur einen Knauf. Ohne Schlüssel kommt hier keiner rein.

HSVA-Boss Jürgen Friesch, 59, ein mittelgroßer, energischer Mann mit weißem Haar und Brille, hat gute Gründe für derlei Sicherheitsvorkehrungen: Hinter der Tür lagern jede Menge Geheimnisse. Im Wettrennen der Reeder auf den Weltmeeren kommt es auf die bestmögliche Schiffsform an sowie auf den jeweils passenden Antrieb – und hier wie dort die effektivste Lösung zu finden ist die Aufgabe der Versuchsanstalt. Die Schiffslinie, wie Fachleute die Form eines Schiffes bezeichnen, entscheidet, wie schnell, treibstoffsparend und sicher ein Wassergefährt sich über die Ozeane bewegt. »Wenn wir den Treibstoffverbrauch eines Schiffes um drei bis fünf Prozent senken, spart ein Reeder über die Lebensdauer seiner Flotte gerechnet viele Millionen Dollar«, sagt Jürgen Friesch. Hydrodynamik nennt sich diese Ingenieursdisziplin, zu deutsch: Bewegung im Wasser. Und weil auch auf dem Wasser Zeit Geld ist, haben Reeder größtes Interesse an den hydrodynamischen Tricks der Konkurrenz. Deshalb schließt Jürgen Friesch sein Büro stets sorgfältig zu.

Schiffbau ist ein Milliardenmarkt. Die Werften rund um den Globus kämpfen hart um Marktanteile. Vor allem in China, Korea und Japan lassen Reeder gigantische Frachter bauen. Ein Containerschiff bewegt derzeit bis zu 13 000 Standardcontainer übers Wasser. In der Versuchsanstalt wurde bereits an Frachtern geforscht, die bis zu 20 000 transportieren können. Für ein erprobtes Know-how würde manch einer jede Summe auf den Tisch legen.

1913 startete die HSVA als erste kommerzielle Versuchsanstalt, nach dem Zweiten Weltkrieg wurde der Betrieb 1953 wieder aufgenommen. Die heutigen Gesellschafter sind Werften, Reeder, Schiffbau-Zulieferer und der Germanische Lloyd. 60 bis 70 Schiffsmodelle testet die HSVA jedes Jahr – die Miniaturausgaben von Containerfrachtern, Kreuzfahrtschiffen, Fähren, Lkw-Transportern, Yachten, Marinefregatten und U-Booten. Die Auftraggeber, Werften und Reeder, sind bei den Experimenten als Beobachter dabei. Neben dem Marine Research Institute Netherlands im holländischen Wageningen und der SSPA Sweden in Göteborg gehören die Hamburger zu den drei größten Versuchsanstalten weltweit.

Das HSVA-Gelände an der Bramfelder Straße in Hamburg-Barmbek ist ein unspektakulärer Komplex von lang gezogenen, niedrigen Zweckbauten aus den fünfziger Jahren, die sich in der Vormittagssonne ein bisschen schläfrig entlang einem Bahndamm erstrecken. Bäume, Buschwerk, ein Dutzend parkende Autos. Hinter den unauffälligen Fassaden sind 82 Mitarbeiter auf der Suche nach der optimalen Schiffsform. In zwei Schichten zwischen 7 Uhr und 23 Uhr basteln sie nach den Bauplänen der Werften maßstabsgetreue Holzmodelle und testen sie in Wasser und Eis. Die Versuchsergebnisse sind oft ausschlaggebend für den anschließenden Bau der Großschiffe. Kein Wunder, dass die Werkstätten und Versuchsbereiche der HSVA mit Fingerabdruck-Scannern an den Türen vor unbefugtem Zutritt gesichert sind.

Wenn ein Kunde in der Modell-Werkstatt sein Auftragsmodell begutachtet, werden die herumstehenden Schiffsmodelle der Konkurrenz und deren Baupläne an den Wänden verhängt. In der Modell-Tischlerei riecht es nach frisch geschnittenem Holz. Für die zehn bis zwölf Meter messenden Testschiffe wird der Abachi-Baum aus dem westafrikanischen Ghana verwendet, »weil dieses Holz wenig Lufteinschlüsse« aufweist, wie Friesch erläutert. Bei bestimmten Strömungsversuchen kann zu viel Luft das Holz reißen lassen. Die angelieferten Hölzer werden in passende Scheiben gesägt und in Handarbeit drei Tage lang zu einer groben Rumpfform zusammengeleimt.

Dann wird der Rohling unter die computergesteuerte Fräse geschoben, die dem Holz exakt nach den Daten des Bauplans die Schiffslinie verpasst – nur eben maßstabsgerecht verkleinert. Das Modell wird nachbearbeitet, poliert und bemalt. Gelber Anstrich für offenes Wasser, rot für Eisregionen. Rot ist etwas rauer. »Die Außenhaut eines Schiffes beeinflusst den Wasserwiderstand«, erklärt Friesch. »Mit der roten Farbe simulieren wir den Widerstandsbeiwert, der im Eiswasser anders ist als in eisfreiem Wasser.«

Jedes Modell erhält einen eigenen Elektroantrieb, das Frachtgewicht eines großen Schiffes wird mit gusseisernen, kiloschweren Gewichten nachgeahmt. Eineinhalb bis drei Wochen dauern die Vorbereitungen, dann ist die Holzattrappe reif für den Versuchsbetrieb. Den meisten Raum auf dem HSVA-Gelände nimmt die Halle mit einem 300 Meter langen, 18 Meter breiten und sechs Meter tiefen »Schlepptank« ein – das weltweit größte Süßwasserbecken seiner Art. Eine fahrbare Brücke beherbergt eine Kabine für die Testingenieure sowie eine Art Besuchertribüne: »Dort sitzen unsere Kunden von der Werft und der Reederei und gucken sich ihr Schiff an«, sagt Friesch. Je nach Aufwand kostet ein solcher Versuch 30 000 bis 300 000 Euro. Im Schnitt werden drei Versuche von jeweils sieben Stunden durchgeführt – macht rund 150 000 Euro.

»Nach ein paar Metern hat das Schiff seine Geschwindigkeit erreicht«, sagt Friesch. »Dann messen wir auf 150 bis 200 Meter und bremsen anschließend wieder aus.« Untersucht wird, mit welcher Antriebsleistung eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht wird. Oder wie sich das Schiff bei starkem Seegang verhält. Oder welches »Wellenbild« durch die Wasserströmung entlang dem Rumpf entsteht und mit welchem Wasserwiderstand das Schiff durchs Wasser schiebt. Beides wird auch von der Schiffsnase bestimmt, dem sogenannten Bugwulst. Er ist dann perfekt, wenn das Schiff voll beladen bei maximalem Tiefgang die höchstmögliche Geschwindigkeit erreicht.

Bis zu zehn Prozent an Antriebsenergie lassen sich einsparen, wenn der Wasserwiderstand minimiert wird – und ein Propeller mit dem höchstem Wirkungsgrad zum Einsatz kommt. Friesch: »Allein mit dem Propeller erreichen wir an die fünf Prozent Verbesserung!« Für jedes Schiff wird der Propeller individuell entwickelt. Man unterscheidet zwei Arten: Fest- und Verstellpropeller. Der Festpropeller, aus dem ganzen Messingstück gefräst, sitzt fest montiert auf der Antriebswelle; die Geschwindigkeit wird durch die Drehzahl verändert. Containerschiffe, Tanker und Schüttgutfrachter bekommen Festpropeller verpasst. Der aus Einzelteilen gefertigte Verstellpropeller hingegen kommt in Fähren, Kreuzfahrtschiffen und Marinefregatten zum Einsatz. Er hat bewegliche Flügel, sodass der Motor stets die gleiche Drehzahl beibehält und die Geschwindigkeit mit dem Winkel der Flügel variiert wird.

Die Propeller waren es denn auch, die Friesch von der Marine über das Schiffbaustudium zur HSVA brachten. Genauer gesagt: Den Ausschlag gab ein physikalischer Vorgang, der bei Propellern auftritt und den zu beherrschen eine Herausforderung darstellt – die Kavitation. Sie entsteht bei schnellen Bewegungen im Wasser. Wenn ein Schiffspropeller rotiert, fällt an der Rotorenspitze der Druck ab, und Wasser verdampft. Dabei bilden sich Dampfblasen, die den Propeller wie eine Schicht umgeben. »Sobald der Druck wieder ansteigt, fällt diese Schicht zusammen, und es bilden sich Blasen, die auf der Propelleroberfläche implodieren. Dadurch entstehen neue Blasen, die auf kleinster Fläche tonnenschwer den Propeller treffen und innerhalb kürzester Zeit das Material abtragen.« Am Ende ist die Schiffsschraube von tiefen Löchern zerfressen.

Um diesen seltsamen Materialverschleiß zu untersuchen, hat Friesch mit seinen Kollegen die weltweit größte und modernste Kavitationsversuchsanlage entwickelt und 1989 in Betrieb genommen. Hier ist das Modellschiff in einem geschlossenen Umlaufkanal, dem Kavitationstunnel, arretiert, und das Wasser wird um das Modell herumgepumpt – mit einer Geschwindigkeit von zwölf Meter pro Sekunde. Auf diese Weise probieren die Ingenieure aus, welche Form der Propeller eines Schiffes haben muss, damit die Rotorenblätter nicht durch Kavitation erodieren.

Obwohl die HSVA so ziemlich alles, was die Schiffe später auf See erwartet, in den Hamburger Hallen simulieren kann, dürfen die Experten keine Stubenhocker sein. Um beispielsweise das Verhalten der Schiffe bei Fahrten durch Polregionen zu analysieren, genügt es nicht, die Temperatur im Wasserbecken der Versuchsanlage auf unter null zu bringen. Die Eisdecke muss so beschaffen sein, dass sie mit den Schollen in den Polargebieten vergleichbar ist. Damit das Eis genau so »wächst« wie das Eis auf See, haben die Experten die Natur vor Ort beobachtet. Friesch: »All meine Eisleute waren mit dem Forschungsschiff Polarstern unterwegs.« Sie haben aber auch drei Monate auf einem Leuchtturm in der Ostsee ausgeharrt, um zu messen, »wie das Eis da rankommt«.

Friesch selbst ist mit Kollegen schon vier Wochen lang auf Containerschiffen »hinten direkt überm Propeller gelegen. Wir haben da Fenster reingebaut und die Geräusche und Schwingungen gemessen«. Lärm und Vibrationen gehören zu den unliebsamen Folgeerscheinungen von Kavitation. Sie zu vermeiden liegt nicht nur im Interesse von Schiff, Besatzung und Umwelt – auch die Marine legt Wert auf Leisetreterei.

Wie das erreicht wird? »Durch eine spezielle Formgebung der Propellerflügel.« Mehr verrät der HSVA-Geschäftsführer nicht. Militärische Verschlusssache. Und bei Friesch sind Geheimnisse gut aufgehoben – dafür sperrt er gern unzählige Male am Tag seine Bürotür auf und zu.