Dipl.-Ing. Jürgen Friesch: 100 Jahre Forschung für effiziente Schiffe

Wie effizient ein Schiff seine Waren transportiert, wie effektiv es sich in Wind- und Wellenverhältnissen verhält und über welche CO2-Bilanz es verfügt, wird längst nicht mehr dem Zufall überlassen. An der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt erproben Ingenieure an Modellen unter anderem die Auswirkung von Umweltphänomenen und hydrodynamischen Einflüssen auf Rumpfkonstruktionen.

 

Bis in die frühe Neuzeit hinein war der Schiffbau vor allem ein Handwerk. Die bis in das 19. Jahrhundert für Werftunternehmer allenthalben übliche Bezeichnung „Schiffbaumeister“, hinter der nicht nur anerkannte technische Kompetenz, sondern auch Sozialprestige im meist noch überschaubaren Gefüge einer Hafenstadt steckte, deutet diesen Hintergrund anschaulich an. Die Auseinandersetzung mit den zeitlosen schiffbaulichen Grundproblemen und damit die allmähliche schiffbautechnische Weiterentwicklung er­folgten ausschließlich aufgrund prak­tischer Erkennt­­nisse, also durch Empirie.

Das deutsche Schiffbauversuchs­wesen hat eine internationale Vor­­geschichte, die über mehrere Jahr­­hunderte führt. Voraussetzungen für eine praxisreife, entwurfsrelevante Versuchstechnik liegen in den Defi­­nitionen von Messaufgaben für die Entwurfsbewertung, in den Ver­suchseinrichtungen und Messgeräten, in den Methoden zur Versuchsauswertung und zur Prognose für die Groß­­ausführung. Diese Voraussetzungen wurden erst allmählich über viele Stationen geschaffen mit wich­­tigen Beiträgen von Wissenschaftlern wie Huygens, Mari­otte, Newton, Chapman, D’Alembert, Van Zwijndrecht, Be­­au­­foy, John Scott Russell, Reech, William und Robert Froude, David Taylor und vielen an­­deren. Durch diese Entwick­lungen wird der Ausgangsstand gekennzeichnet, der am Anfang des 20. Jahrhunderts auch für die Grün­dung deutscher Versuchsanstalten maßgeblich war.

Das kaiserliche Deutschland er­lebte seit den 1880er/ 1890er Jahren einen gewaltigen wirt­­schaftlichen Auf­stieg. Handelsschifffahrt, Marine und Werftindustrie zo­­gen mit und rückten bis 1914 an die zweite Stelle hinter Großbritannien. So entwickelte sich hierzulande an vielen Orten hochspezialisiertes technisches und maritimes Know-how, das zwar auf das britische Vorbild aufbaute, schließlich aber eigene Wege ging. Die entstehenden technischen Lehranstalten wie etwa in Charlottenburg (1879) und Danzig (1904), aber auch die 1899 gegründete Schiffbautechnische Ge­­sellschaft (STG), entstanden und entfalteten sich vor diesem Hintergrund.

Hamburg als der größte deutsche Hafen mit seiner Kon­­zentration zahlreicher namhafter Reedereien und Werf­­ten wurde schließlich zum Standort für die führende deutsche Schiffbauversuchs­anstalt. Die Hamburgische Schiff­­bau-Versuchsanstalt GmbH (HSVA) wurde 1913 als pri­­vatwirtschaftliche Ge­­sellschaft mit dem Ziel ge­gründet, unabhängige For­schung und Entwicklung sowie Dienst­leistungen für die maritime Industrie durchzufüh­ren. Die Geburtswehen der HSVA erstreckten sich über mehr als zehn Jahre. So lange dauerte es, bis die Dis­­kus­si­onen über die Notwendig­keit eines großen hydrodynamischen Test­­instituts in Deutschland – vor allem für die kommer­zielle Schiff­fahrt – zur Gründung der HSVA führten.

Eigentümer der GmbH sind auch heute noch 20 Unter­­nehmen aus allen Bereichen der deutschen maritimen Industrie. Die HSVA zählt heute zu den führenden Ver­­suchsanstalten der Welt. Sie betreibt Versuchsanlagen von höchstem internationalem Standard, wie beispielsweise den Großen Schlepptank (bezogen auf den Quer­schnitt einer der weltweit größten Tanks), den Eistank und den großen Kavitationstunnel HYKAT, die neben den qualifizierten Mitarbeitern diese Position begründen. Neben den Versuchseinrichtungen wird im Haus entwickelte anspruchsvolle Software für numerische Simu­lationen genutzt. Die Entwicklungsvorhaben werden in erster Linie für die maritime Industrie aber auch für die Luftfahrtindustrie durchgeführt.



Rückgrat jeder Schiffbauversuchsanstalt sind neben en­­gagierten, gut ausgebildeten Mitarbeitern die Ver­suchs­anlagen. So wurde 1913 ein großer Schlepptank mit an­­geschlossenem Manövrierbecken gebaut. Auch der erste Kavitationstunnel, der als Vorläufer aller späteren geschlos­senen Kavitationstunnel weltweit gesehen werden kann, wurde in den 30er Jahren errichtet. Das Ende des Zwei­­ten Weltkrieges schien zunächst auch das Ende der Ham­burger Institution zu bedeuten. Die Anlagen wurden wei­­testgehend zerstört. Doch es ging glücklicherweise weiter.

Der Grundstein für die neue HSVA wurde am 22. Feb­ruar 1952 gelegt und bereits am 22. Oktober des gleichen Jahres konnten die ersten Versuchsanlagen in Betrieb ge­­nommen werden: ein Schleppkanal von 80 Metern Länge, ein Manövrierbecken mit 25 Metern Durch­­mes­ser sowie ein Flachwasserkanal. Um die ausgesprochen erfolgreiche Forschung auf dem Gebiet der Propeller fortzuführen, wurde 1954 der erste Kavitationstunnel der Nachkriegszeit erbaut. 1957 folgte ein neuer großer Schlepptank mit 200 Metern Länge und 18 Metern Breite und entsprechendem Schleppwagen, 1959 wurde ein Wellenerzeuger ergänzt und wenig später eine weitere Verlängerung um 100 Meter auf 300 Meter vorgenommen. Ein zweiter, weitaus größerer, sehr schneller Kavi­­ta­ti­onstunnel wurde 1960 fertiggestellt. Der Bau eines Eisbeckens im Jahr 1984 ist ebenfalls eine Reaktion auf die Anforderungen der Schifffahrt, in der eisgehende Schif­­fe zunehmend an Bedeutung gewannen. Mit 78 Metern Länge, zehn Metern Breite und einer Tiefe von fünf Metern ist diese Versuchsanlage weltweit immer noch eine der größten ihrer Art. 1988 fand die Inbetriebnahme eines neuen Hydrodynamik- und Kavitationstunnels (HYKAT) statt, ein weiterer weltweiter Meilenstein beim Bau von Anlagen zur Optimierung von Schiffspropellern. 2011 konnte mit finanzieller Unterstützung durch die Freie und Hansestadt Hamburg eine Investition realisiert werden, die ebenfalls weltweit einmalig ist: ein seitlicher Wellenerzeuger für den großen Schlepptank auf einer Länge von 40 Metern, der die Untersuchungen von Schif­fen und Offshore-Anlagen unter realistischen Seegangsbe­­dingungen ermöglicht. Noch nie zuvor wurde eine solche Anlage in einen existierenden Schlepptank eingebaut.

Bis zum Beginn dieses Jahrhunderts gelang es durch diese erheblichen Investitionen und durch intensive For­­schungsarbeiten, wieder einen führenden Platz unter den weltweit operierenden Schiffbauversuchsanstalten einzunehmen. Bis heute werden meist komplexe hydrodynamische Fragestellungen bearbeitet, die nur mit Hilfe von Experimenten in anspruchsvollen Versuchsanlagen oder mit aufwendigen Berechnungsmethoden, zu deren Entwicklung die HSVA in den letzten Jahren ebenfalls ent­­scheidend beigetragen hat, von speziell ausgebildeten Experten gelöst werden können.

Der bei Schiffsneubauten erreichbare technische Fort­schritt hängt nicht zuletzt davon ab, was vorweg in For­­schungsvorhaben an Know-how erarbeitet worden und für ein aktuelles Projekt verfügbar ist und genau da spielt die Schiffbau-Versuchsanstalt eine wichtige Rolle. Sie ist Mittler zwischen den Hochschulen und der Industrie.

Die Schiffshydromechanik ist und bleibt eine ganz wich­­tige Grundlage für den Bau von wirtschaftlichen und sicheren Schiffen. Sie ist längst noch nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen. Insbesondere die numerische Lösung von Strömungsproblemen (CFD) hat noch eine große Zukunft vor sich. Die Entwicklung dieses Ge­­bietes macht allerdings die Versuchstechnik nicht über­­flüssig. Sie wird im Gegenteil anspruchsvollere und kom­­plexere Aufgabenstellungen mit sich bringen. Auch die Eistechnik birgt noch ein großes Forschungs- und Ent­­wicklungspotenzial. Dem Thema Klimawandel kommt so­­wohl politisch als auch gesellschaftlich eine Bedeutung zu, die vor mehreren Jahren kaum absehbar war. Weiter­­hin müssen die auch von der Schifffahrt erzeugten Emis­­sionen, die maßgeblich zum Klimawandel beitragen, reduziert werden. Die Wettbewerbsfähigkeit von Schiffen wird künftig nicht allein von ihrer Ladungskapazität ab­­hängen. Vielmehr spielt der Kraftstoffverbrauch eine zunehmend wichtigere Rolle. Energieeffiziente Schiffe helfen nicht nur der Umwelt, sondern können dank nied­­­rigerer Betriebskosten auch über einen langen Zeitraum Wettbewerbsvorteile realisieren. In der Entwicklung der­ar­­tiger Schiffstypen liegt eine große Chance für die HSVA.

Neben ihrer Arbeit als Dienstleister für die Schiffbau­industrie kommt der Schiffbau-Versuchsanstalt auch eine erhebliche Bedeutung als Wegbereiter für neue Entwick­­lungen und als Technologie-Multiplikator zu. Die hier durchgeführten Forschungs- und Entwicklungs­arbeiten werden im Rahmen konkreter Industrieprojekte schnell in die industrielle Praxis übernommen und im Rahmen konkreter Projekte angewendet. Dies gilt zum Beispiel für neue numerische und experimentelle Ver­fahren. Die Durchführung von anwendungsnaher For­schung und Entwicklung in Kooperation mit Hoch­schulen und Wirt­­schaftspartnern mit dem Ziel, schnell einsatzfähige Pro­­dukte zu entwickeln, bildet eine der wesentlichen Auf­gaben der HSVA als führender deutscher Schiffbau-Ver­suchsanstalt.

Der Markt und das Umfeld der HSVA haben sich in den letzten Jahren immer stärker internationalisiert. Das bedeutet einerseits neue technische Herausforderungen, andererseits aber auch neue Wettbewerbssituationen. Haben Schiffbau-Versuchsanstalten in der Vergangen­heit in erster Linie den nationalen „Heimatmarkt“ be­dient, so finden sie heute ihr hauptsächliches Betäti­gungsfeld in den Ländern, in die sich ein Großteil der Schiffbauproduktion verlagert hat. Dies sind im wesent­­lichen Korea, China und Japan.

Im Unterschied zu manchen anderen Versuchsanstalten in der Welt hat die HSVA in den Jahren 2009 und 2010 ihre personelle Kapazität erhalten, ja sogar verstärkt. Dem liegt die Überzeugung zugrunde, dass verminderte Forschungs- und Entwicklungskapazitäten vorhersehbar zu einem technologischen Rückstand führen würden, der die Position der Hamburger Einrichtung weltweit schwächen und unsere Konkurrenten eher stärken würde. Eine verstärkte Konzentration auf anspruchsvolle Schiffs­­typen ist deshalb unabdingbar. Jetzt muss die Frage angegangen werden: „Wie werden Schiffe und deren Systeme sowie meerestechnische Strukturen in fünf, zehn oder zwanzig Jahren aussehen?“ Welche Marktpo­tenziale werden entstehen und welche Lösungsansätze sind dafür zu entwickeln? Durch ihre weltweiten Aktivi­täten können die Ingenieure der HSVA entscheidend zur Beantwortung dieser existenziellen Fragen beitragen.

Die Tatsache, dass trotz der Krise in der Schifffahrt das Jahr 2013 für die HSVA wiederum ein sehr erfolgreiches Jahr war, bestätigt diese Annahme.

Der Diplom-Ingenieur ist seit 1979 Mitglied der Hamburgischen Schiffbau-Versuchs­­anstalt (HSVA), wo er seit mehr als 20 Jahren in den Abteilungen Propeller und Kavitation zunächst als Wissenschaftler, dann als Projektingenieur und zuletzt als Abtei­­lungsleiter tätig war. Themenschwerpunkte seiner Arbeit sind die Korrelation von Modell- und Endwertdaten bezüglich der Wirksamkeit von Schiffspropellern sowie die Entwicklung von Testeinrichtungen zum Verständnis der Kavitation. Er war maßgeblich für die Gestaltung des Kavitationstunnel-Projekts HYKAT und für den Betrieb der Anlage verantwortlich. Seit 2004 ist er Geschäftsführer der HSVA.