Das Pentagon will Magneten herstellen

Kriegsschiffe, sowohl auf als auch unter Wasser, könnten eines Tages ohne bewegliche Teile fahren.

Die Abteilung für fortgeschrittene Wissenschaft des Pentagon wirft einen neuen Blick auf eine Technologie, die verspricht, die Art und Weise, wie Kriegsschiffe in den Weltmeeren reisen und kämpfen, zu revolutionieren.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) fordert die Industrie heraus, herauszufinden, ob die Entwicklung hochmoderner magnetohydrodynamischer (MHD) Antriebssysteme Realität werden könnte. MHDs, die Elektromagnetismus anstelle von physischen Propellern verwenden, versprechen einen nahezu geräuschlosen Antrieb, ein Segen für U-Boote – und die Schiffe, die sie jagen.

Das DARPA-Programm, bekannt als Principles of Undersea Magnetohydrodynamic Pumps (PUMP), startete Ende Mai. Wie die Agentur in ihrer Branchenausschreibung beschreibt, besteht das Ziel des Programms darin, MHD-Pumpen zu entwickeln und zu demonstrieren, die den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit herkömmlicher Pumpen auf Laufradbasis erreichen und gleichzeitig den Geräuschpegel reduzieren. Mit anderen Worten: Die neue PUMP-Antriebstechnologie sollte genauso gut sein wie herkömmliche propeller- und laufradbasierte Technologien. Mit seinem Schwerpunkt auf der Reduzierung der Lärmentwicklung richtet sich das Programm auch ganz klar an U-Boote und in geringerem Maße auch an andere Kriegsschiffe.

Herkömmliche Schiffsantriebssysteme verwenden Propeller, um Wasser anzutreiben, oder Pumpjets, um Wasser zu pumpen, wobei in beiden Fällen Schub in die entgegengesetzte Richtung erzeugt wird. Obwohl das System im Allgemeinen effizient ist – eine einzige Propellerschraube kann problemlos ein großes Schiff durch das Wasser bewegen –, ist es laut. Die Maschinen, die die Antriebe, Motoren, Getriebe, Pumpen und andere Geräte antreiben, erzeugen Geräusche, die aus dem Schiff entweichen und in der Wassersäule widerhallen können. Dies hilft Sonarsystemen, die Geräusche erkennen, fahrende Schiffe erkennen und verfolgen sollen.

Ein weiteres Problem bei herkömmlichen mechanischen Antrieben ist Kavitation. Bei höheren Geschwindigkeiten erzeugt ein Unterwasserpropeller oder Pumpstrahl-Laufrad Gasblasen, die das Schiff umherziehen, dann platzen und ein kakophonisches Geräusch erzeugen. Dies kann ein eindeutiger Hinweis darauf sein, dass ein U-Boot versucht, in der Gegenwart feindlicher Kriegsschiffe herumzuschleichen. Das Kavitationsrisiko kann durch die richtige Konstruktion des Propellers oder Laufrads minimiert werden, es gibt jedoch Kompromisse, die die Gesamtleistung und -geschwindigkeit des Schiffes beeinträchtigen können.

Der magnetohydrodynamische Antrieb vermeidet all das. MHDs nutzen die Leitfähigkeit von Meerwasser und ein angelegtes Magnetfeld, um eine Lorentzkraft zu erzeugen, die stark genug ist, um ein Schiff zu bewegen. In dieser vom Argonne National Lab erstellten Machbarkeitsstudie wurde es vor mehr als 30 Jahren beschrieben: „Das MHD-Triebwerk ist eine elektromagnetische Pumpe, die die Flüssigkeit [Meerwasser] beschleunigt, um Schub zu erzeugen.“

MHD-Antriebe basieren auf Magnetfeldern und elektrischen Strömen in einem Prozess, der weitaus weniger laute bewegliche Teile aufweist als andere Antriebssysteme. Dies verspricht, sie weitaus leiser zu machen als bestehende Antriebssysteme – ein attraktives Merkmal für U-Boote. MHD-Antrieben fehlt auch ein physikalischer Antrieb, der Wasser physikalisch bewegt, sodass Kavitation minimiert wird. Befürworter gehen davon aus, dass MHDs Schiffe auch manövrierfähiger machen würden als herkömmliche Antriebsmethoden.

U-Boote würden am meisten von der MHD-Antriebstechnologie profitieren; Sie sind so konstruiert, dass sie so leise wie möglich sind, damit passive Sonarsysteme sie nicht erkennen. Auch Überwasserschiffe, die U-Boote jagen, würden davon profitieren, da sie in aller Stille U-Boote jagen und sie unvorbereitet erwischen könnten.

MHD-Laufwerke gibt es schon seit etwa 60 Jahren. Im Jahr 1991 stellte die japanische Schiffs- und Ozeanstiftung die Yamato-1 fertig, einen Forschungs- und Entwicklungsprüfstand, der MHD-Antriebstechnologie nutzte. Yamato-1 war 110 Fuß lang, hatte eine Verdrängung von 185 Tonnen und wurde von zwei Triebwerken mit supraleitenden Magneten angetrieben, die das Magnetfeld erzeugten. Das Schiff erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von acht Knoten.

Der MHD-Antrieb ist vielleicht am besten durch seinen Auftritt im Buch und Film „Jagd auf Roter Oktober“ bekannt. In dem Roman ist das U-Boot der sowjetischen Marine „Roter Oktober“, ein modifiziertes, größeres U-Boot der Typhoon-Klasse, mit einem MHD-Antriebssystem ausgestattet, um es nahezu geräuschlos zu machen. Dadurch war die Roter Oktober in der Lage, sich der Ostküste der Vereinigten Staaten zu nähern, den U-Boot-Abwehrpatrouillen der USA auszuweichen und dann einen verheerenden nuklearen Erstschlag zu starten.

So groß die Yamato-1 auch war, führten technische Zwänge dazu, dass 100 der 185 Tonnen für das Antriebssystem aufgewendet wurden, was den Nutzen des Schiffes einschränkte. Um den MHD-Antrieb praktischer zu machen, müsste laut DARPAs PUMP-Aufforderung „ein höheres Magnetfeld vorhanden sein, um die Effizienz zu steigern; und (2) ein Elektrodenmaterialsystem, das die Auswirkungen von Hydrolyse, Blasenkollapserosion und Korrosion bekämpft“. und kann zuverlässig mit Strom und hohen Magnetfeldern im Meerwasser arbeiten.“

DARPA geht davon aus, dass eine neue Anstrengung beim MHD-Antrieb zu Systemen führen könnte, die dreimal so effizient sind wie diejenigen, die Yamato-1 angetrieben haben. Das könnte ausreichen, um solche Systeme praxistauglich zu machen und es künftigen Kriegsschiffen zu ermöglichen, alle Vorteile von MHDs voll auszuschöpfen.

Wenn Sie eine brillante Idee haben, Magnetantriebssysteme in jedes Angriffs-U-Boot der US-Marine einzubauen, ist die Ausschreibung von SAM.gov für Auftragnehmer hier, und die Agentur möchte bis zum 31. Juli 2023 Vorschläge von der Industrie zurücksenden.

Kyle Mizokami ist Autor zu Verteidigungs- und Sicherheitsthemen und seit 2015 bei Popular Mechanics. Wenn es um Explosionen oder Projektile geht, ist er grundsätzlich dafür. Kyles Artikel erschienen bei The Daily Beast, den US Naval Institute News, The Diplomat, Foreign Policy, Combat Aircraft Monthly, VICE News und anderen. Er lebt in San Francisco.

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