Как работают турбопаруса и насколько они эффективны?

Мореплавание в прошлом было не только инструментом для освоения новых территорий и основным двигателем торговли, оно также определяло историю многих государств. На протяжении тысячелетий человечество полагалось на силу ветра: египтяне научились использовать парус еще 5.5 тысяч лет назад, и лишь к концу 19 века парусники стали активно вытесняться пароходами.

В наше время коммерческое судоходство опирается преимущественно на возможности дизельных двигателей. Однако рост цен на нефтепродукты и мировой тренд на снижение выбросов углекислого газа привели к тому, что вскоре всё больше кораблей будет использовать энергию ветра. Но они не будут оснащаться традиционными парусами из ткани — их место займут турбопаруса.

Что такое турбопарус и как он работает

Турбопарус, он же роторный парус — это конструкция в виде цилиндра, который вращается при помощи электродвигателя. Вращение необходимо, чтобы создавать так называемый эффект Магнуса: благодаря вращению ускоряется поток воздуха с одной стороны от цилиндра, одновременно замедляется поток с другой.

Соответственно с одной стороны образуется область пониженного давления, а с другой — повышенного. Из-за разницы давлений возникает тяга, вектор которой перпендикулярен направлению ветра. Кстати, турбопарус может вращаться в обе стороны, подстраиваясь к направлению ветра. Вышеупомянутый эффект был открыт немецким физиком Генрихом Магнусом в 1853 году, но тогда, увы, это открытие было интересно лишь другим физикам.

Как появились суда с турбопарусами

В 1920-х годах немецкий изобретатель Антон Флеттнер разработал роторный парус, который был испробован на судне «Buckau». Это была шхуна, обе мачты которой заменили на турбопаруса высотой 15 метров и диаметром 3 метра. Их вращал электродвигатель мощностью 37 кВт (50 л.с.). Без электродвигателя турбопарус, в отличие от обычного паруса, бесполезен. Таким образом роторный парус — это всегда дополнение к имеющейся на корабле силовой установке

«Buckau» успешно прошел испытания в 1925 году, а потому в 1926 году в Бремене было построено более крупное грузовое судно «Barbara» с 3 роторными парусами. Но в 1929 году начинается Великая депрессия, которая привела к снижению цен на нефть, и выгода от оснащения судов турбопарусами стала несущественной. В итоге инвесторы отказались от перспективных проектов Флеттнера, отдав предпочтение "классическим" судам с дизельными силовыми установками.

В следующий раз о роторных парусах вспомнили лишь через полвека. В 1985 году французская некоммерческая организация "Команда Кусто" спустила на воду экспериментальное научно-исследовательское судно «Алсиона», оснащенное парой турбопарусов.

Если верить данным с официального сайта организации, то «Алсиона» расходовала на 35% меньше топлива, чем похожее по размерам судно без парусов. Однако цены на нефтепродукты оставались низкими, а глобального тренда на снижение выбросов углекислого газа пока не существовало, поэтому в коммерческом судоходстве никто не интересовался этими "чудо-парусами" ещё четверть века.

Насколько они эффективны

Первым современным коммерческим судном с роторными парусами стал E-Ship 1 от немецкой компании Enercon в августе 2008 года. Он оснащен 4 парусами высотой 25 метров и диаметром 4 метра. Enercon занимается производством ветряных турбин, а E-Ship 1 используется для их транспортировки. За следующие 5 лет этот корабль прошел более 170 тыс. морских миль (~315 тыс. км) и согласно отчету Enercon за 2013 год, турбопаруса в среднем снижали расход топлива на более чем 15%.

Более скромные результаты продемонстрировал нефтяной танкер «Maersk Pelican». В сентябре 2018 года на него установили два 42-тонных турбопаруса из стали и композитных материалов. Их высота — 30 метров при диаметре в 5 метров. Каждый из них при хорошем ветре способен выдать до 300 kН тяги, что сопоставимо с двигателем современного авиалайнера. Электродвигатели мощностью 115 кВт обеспечивают скорость вращения этих столбов до 180 об/мин.

К слову, срок службы роторных парусов составляет не менее 25 — 30 лет, что соответствует жизненному циклу типичного нефтяного танкера. В сентябре 2019 года подвели итоги: «Maersk Pelican» сэкономил 8.2% топлива. Благодаря этому в атмосферу не попало ~ 1400 тонн углекислого газа. На отдельных маршрутах расходы топлива сокращались на 12%.

На основании этих цифр финская компания Norsepower (производитель турбопарусов) сделала вывод, что в случае оснащения роторными парусами всех действующих в мире танкеров ежегодные выбросы углекислого газа сократятся на 30 млн тонн. Это сравнимо с годовым воздействием 15 млн легковых автомобилей и составляет ~ 0.08% от общемировой эмиссии CO2. Также Norsepower отмечает, что турбопарус примерно в 10 раз эффективнее обычного паруса схожих габаритов.