MIT-Forscher entwickeln Wirbelgeneratoren zur Reduzierung von Schiffsemissionen

Vortex-Generator-Teststand am MIT (Foto: MIT)

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben gezeigt, dass keilförmige Wirbelerzeuger, die an einem Schiffsrumpf angebracht sind, den Wasserwiderstand um bis zu 7,5 % verringern können.

Dadurch können die Treibstoffkosten und die Gesamtemissionen gesenkt werden, was dazu beiträgt, die Ziele der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) zu erreichen, die Kohlenstoffintensität der internationalen Schifffahrt bis 2030 im Vergleich zum Niveau von 2008 um bis zu 40 % zu reduzieren.

Die zugehörige Arbeit mit dem Titel „Net Drag Reduction in High Block Coefficient Ships and Vehicles Using Vortex Generators“ wurde auf der Maritime Convention 2025 der Society of Naval Architects and Marine Engineers in Norfolk, Virginia, vorgestellt.

Die Forscher – José del Águila Ferrandis, Jack Kimmeth und Michael Triantafyllou vom MIT Sea Grant und dem Department of Mechanical Engineering sowie Alfonso Parra Rubio und Neil Gershenfeld vom Center for Bits and Atoms – ermittelten die optimierte Form und Größe des Wirbelerzeugers mithilfe einer Kombination aus numerischer Strömungsmechanik (CFD) und experimentellen Methoden, die durch KI-Optimierungsmethoden unterstützt wurden.

Das Team ermittelte zunächst parametrische Trends durch umfangreiche CFD-Analysen und testete dann mehrere Rümpfe mittels Rapid Prototyping, um die Ergebnisse experimentell zu validieren.

Es wurden maßstabsgetreue Modelle eines rotationssymmetrischen Rumpfes mit freiliegendem Leitwerk, eines Leitwerks mit Deltaflügel-Wirbelerzeugern und eines Leitwerks mit Keilwirbelerzeugern hergestellt und getestet. Das Team identifizierte keilförmige Wirbelerzeuger als die optimale Form, um den besten Widerstand zu erzielen.

Mithilfe von Strömungsvisualisierung konnten die Forscher erkennen, dass der Widerstand durch die Verzögerung der turbulenten Strömungsablösung verringert wurde. Dies trug dazu bei, dass das Wasser gleichmäßiger entlang des Schiffsrumpfs strömte und der Kielwasser hinter dem Schiff kleiner wurde. Dadurch können Propeller und Ruder in einer gleichmäßigen Strömung effizienter arbeiten.

„Wir dokumentieren zum ersten Mal experimentell eine Reduzierung des Treibstoffbedarfs von Schiffen durch den Einsatz von Wirbelerzeugern, relativ kleinen, keilförmigen Strukturen, die an einem bestimmten Punkt des Schiffsrumpfs angebracht sind“, erklärte Michael Triantafyllou, Professor für Maschinenbau und Direktor von MIT Sea Grant.

Wirbelerzeuger werden bereits an der Vorderkante von Flugzeugflügeln eingesetzt, um den Auftrieb zu verbessern und den Strömungsabriss zu verzögern. Diese Studie zeigt erstmals, dass Wirbelerzeuger auch zur Widerstandsreduzierung bei Handelsschiffen angewendet werden können.

Die modulare Anpassungsfähigkeit der Keilwirbelerzeuger ermöglicht die Integration in eine breite Palette von Rumpftypen, einschließlich Massengutfrachtern und Tankern. Die Geräte können mit bestehenden Technologien wie Vorwirbelstatoren (feststehende, vor den Propellern montierte Flossen) synergieren oder diese sogar ersetzen und so die Gesamtleistung des Systems verbessern.

Forscher schätzen, dass die Installation der Wirbelerzeuger auf einem 300 Meter langen Newcastlemax-Massengutfrachter, der mit 14,5 Knoten auf einer Transpazifikroute fährt, zu einer „deutlichen Reduzierung der Emissionen“ und jährlichen Treibstoffeinsparungen von etwa 750.000 US-Dollar führen würde.