Statek z płetwami

Mogłoby się wydawać, że w dziedzinie napędów statków i łodzi wszystko już wymyślono. Jeżeli chcemy popływać rekreacyjnie, wykorzystujemy wiosła, żagiel, napęd śrubowy lub strumieniowy. Gdy natomiast chcemy ładunek handlowy dostarczyć do portu przeznaczenia na czas – jesteśmy skazani na mechaniczny napęd śrubowy. Rozwój technik napędzania statków zdecydowanie skupił się na źródłach energii, a nie na jej efektywnym przetwarzaniu na siłę ciągu. Naukowcy i inżynierowie prześcigają się więc w konstruowaniu coraz to wydajniejszych silników spalinowych i elektrycznych, pędnik jednak zawsze pozostaje ten sam – jest nim śruba. Jesteśmy do tego stanu tak bardzo przyzwyczajeni, że trudno dziś nawet wyobrazić sobie jakąkolwiek zmianę.

Istnieją jednak obszary dotychczas niezbadane. Prace nad zupełnie nowym napędem prowadzę w przekonaniu, że mogą one zrewolucjonizować transport wodny. Opracowałem znacznie efektywniejszy od dotychczas stosowanych innowacyjny system falujących pędników, który w porównaniu ze stosowanymi dziś rozwiązaniami potrafi kilkakrotnie zredukować zapotrzebowanie statku na paliwo. System wykorzystuje efekt przyspieszania mas wody wzdłuż kadłuba przy użyciu energii falujących płetw.

Powstał zdalnie sterowany model takiego pojazdu, będący uproszczoną wersją wynalazku. Platforma wypornościowa typu katamaran z całkowicie zanurzonym w wodzie falującym pędnikiem posłużyła do zbadania osiągów maszyny, takich jak sprawność hydrodynamiczna, przyspieszenie czy prędkość maksymalna. Prototyp doświadczalny został nazwany Kalmarem. Eksperymenty pokazały, że potencjał tego wynalazku pod względem wydajności zdecydowanie wyprzedza współczesne śrubowe systemy napędowe. Dlatego został opatentowany. Tajemnica efektywności nowych rozwiązań tkwi w unikalnej geometrii pędników, sposobie ich sterowania oraz prostej konstrukcji. Kalmar wyposażony jest w hydroskrzydła z membraną lateksową, ale rozwiązania komercyjne będą miały pędniki o nieco innej budowie, choć o podobnej geometrii.

W obecnie stosowanych napędach statków znaczna ilość energii układu śruba-woda marnuje się wskutek zjawisk, których nie da się już wyeliminować. Chodzi tu przede wszystkim o kawitację, która w ogólnym ujęciu polega na gwałtownej przemianie wody z fazy ciekłej w gazową pod wpływem lokalnych zmian ciśnienia powodowanych szybką rotacją śruby. Te spadki ciśnienia prowadzą do wrzenia cieczy i tworzenia się pęcherzyków gazu. Śruba pracuje więc zawsze w mieszaninie wodno-gazowej, marnując ogromne ilości energii. Na dodatek pęcherzyki gazu, po opuszczeniu strefy pracy śruby, zapadają się gwałtownie, wytwarzając fale uderzeniowe. Dlatego kawitacja jest jednym z głównych źródeł hałasu, co stanowi problem na przykład w okrętach podwodnych. Śruba, z uwagi na swój kształt, stawia duży opór czołowy, co jest kolejną barierą dla zwiększenia jej sprawności energetycznej. Jeżeli spojrzeć na Kalmara z przodu, to łatwo zauważyć, że powierzchnia czołowa, a co za tym idzie opór pracującego skrzydła, jest znikomy. Na pędniku
nowego rodzaju turbulencje są o wiele mniejsze, a zjawisko kawitacji praktycznie nie występuje. – Już sam pomysł jednostki pływającej o takim napędzie wydał mi się ciekawy, ale i odważny – mówi prof. Ryszard Siegoczyński z Politechniki Warszawskiej. – Kiedy zobaczyłem sprawnie i bezawaryjnie pływający prototyp, nie miałem wątpliwości, że to rozwiązanie ma sens.

Kalmar od samego początku wzbudza duże zainteresowanie. Począwszy od pierwszego publicznego pokazu w Muzeum Przyrodniczym PAN w Krakowie, przez pokazy na krakowskim Rynku Głównym w ramach Festiwalu Nauki 2007, aż po największe międzynarodowe Targi Innowacji i Nowych Technologii – Brussels Innova 2007. Tematem przewodnim w Brukseli była energia i jej przetwarzanie. Wśród prawie 500 zgłoszonych wynalazków z całej Europy międzynarodowe jury nagrodziło Kalmara złotym medalem Brussels Eureka z wyróżnieniem! W marcu br. podczas XV Giełdy Polskich Wynalazków w Muzeum Techniki NOT w Warszawie Firma Delta Prototypes została też wyróżniona nagrodą ministra nauki i szkolnictwa wyższego.

Pomysł Kalmara zrodził się kilka lat temu. Podczas studiów na Politechnice Krakowskiej prof. Andrzej Samek, wykładający bionikę, postawił studentom zadanie opracowania koncepcji urządzenia wzorowanego na rozwiązaniu zaczerpniętym z przyrody. Projekt pojazdu, jaki wtedy powstał, okazał się na tyle ciekawy, że stał się tematem pracy magisterskiej pod kierownictwem prof. Andrzeja Samka. Ponieważ same rozważania teoretyczne nie wystarczyły, powstał pomysł zbudowania prototypu takiego pojazdu.

Nowy napęd ma szerokie możliwości komercyjnego zastosowania. Trwają prace nad dwoma projektami. Pierwszy to łódź rekreacyjna długości 3 m, której wystarczy zaledwie 30 cm zanurzenia. Jej cena będzie porównywalna z dziś istniejącymi pojazdami rekreacyjnymi z napędem śrubowym bądź łopatowym. Drugi projekt to znacznie bardziej skomplikowany załogowy pojazd podwodny, wykorzystujący hydraulicznie sterowane falowe pędniki o zmiennej geometrii. Na razie pływa on w wirtualnym świecie, w komputerze, i wykazuje niespotykaną sprawność napędu. Gdy uda się pokonać wszystkie bariery konstrukcyjne, zostanie uruchomiona produkcja zewnętrznych modułów napędowych, które będzie można dosłownie przyczepiać do kadłubów konwencjonalnych łodzi i zasilać je z akumulatora lub małego generatora prądu elektrycznego. A może nawet z baterii słonecznej?

Eksperci w Brukseli widzą w Kalmarze nie tylko alternatywę dla taniego transportu, ale zwracają też uwagę na to, że nowy napęd jest bardzo cichy. Pędniki falowe nie wywołują stresu u żyjących w wodzie zwierząt, nie niszczą roślinności. Można je wykorzystać w elektrycznych pojazdach załogowych lub automatach do badania chronionych ekosystemów. To jednak dopiero początek przygody. Prawdziwy przełom zacznie się przy wykorzystywaniu nowego napędu w wielkich jednostkach (ale na to potrzeba też wielkich pieniędzy). Wyobraźmy sobie, jaki wpływ na przyrodę będzie miała technologia, która sprawi, że transport wodny zacznie wykazywać kilkakrotny spadek zapotrzebowania na paliwa. Poszukiwany więc jest… hodowca Kalmarów.

Michał Latacz

Autor jest wynalazcą, absolwentem Politechniki Krakowskiej, właścicielem firmy Delta Prototypes.