YACHT: Unlängst hat die Regatta-Serie SailGP neue Foils getestet und danach einen unfassbaren Performance-Sprung von 15 Prozent vermeldet. Das scheint erstaunlich, da am oberen Ende des Sports oft um jedes Zehntel Knoten gerungen wird. Steckt die Foil-Technik noch so in den Kinderschuhen, dass da solche großen Sprünge machbar sind?
Martin Fischer: 15 Prozent sind durchaus möglich. Die haben allerdings eine andere Konfiguration getestet, bisher sind das sogenannte J-Foils, also nach innen gebogene. Wenn das Boot aufs Foil kommt, liegt der vertikale Auftrieb des Tragfläche, der Auftriebsschwerpunkt, innerhalb des Rumpfes. Man hat also ein gewisses aufrichtendes Moment. Und das ist dadurch gegeben, wie weit der Gewichtsschwerpunkt des Bootes und der Auftriebsschwerpunkt des Foils in lateraler Richtung voneinander entfernt sind. Die neuen Profile sind aber T-Foils, die etwas nach außen gebogen sind. Dadurch wird der Auftriebsschwerpunkt des Flügels nach außen verschoben und das aufrichtende Moment steigt deutlich an, man kann mehr Druck im Segel fahren. Da sind 15 Prozent mehr Performance machbar.
Wenn man beim J-Foil geblieben wäre, hätte es diese deutliche Steigerung nicht gegeben?
Genau. Die haben nicht eine besonders clevere neue Form gefunden, die einen so viel geringeren Widerstand hat, sondern einfach die Power des Bootes um zehn bis 15 Prozent erhöht. Das ist so, als würdest du in ein bestehendes Auto einen Motor mit 50 PS mehr einbauen.
Dabei wurde laut SailGP die Kavitationsgrenze auch noch um sechs Knoten nach oben verschoben, man hofft jetzt, 59 Knoten erreichen zu können. Bislang hieß es bei vielen Teams, etwa den Imocas oder Ultims, dass über 50 Knoten eine Art Schallmauer für die Kavitation liegt ...
Im Prinzip gibt es diese Grenze schon. Bei einem herkömmlichen Foil ist das so, es gibt eine Seite, die hat Über-, und die andere hat Unterdruck. Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Unterdruck so groß, dass der Dampfdruck von Wasser unterschritten wird, und es verdampft direkt an der Oberfläche des Profils. Das heißt, ein Teil des Foils arbeitet nicht mehr im flüssigen Wasser, sondern imWasserdampf. Das führt zu einer Blasenschleppe, die den Widerstand drastisch ansteigen lässt. Und wenn das an großen Teilen des Flügels passiert, kann man dann nicht mehr viel schneller fahren. Typischerweise ist das so: Hat Kavitation begonnen, kann man noch zwei, drei Knoten mehr erreichen, danach ist Schluss. Man kann jedoch durchaus Foils bauen, die erst bei 60 Knoten kavitieren. Aber sie sind dann ziemlich schlecht bei geringeren Geschwindigkeiten. Ein Beispiel: Haben wir ein Foil, das bei 40 Knoten kavitiert, und eins, das bei 50 kavitiert, ist dasjenige, das bei 40 beginnt, im Bereich zwischen null und 40 Knoten schneller. Und das andere Foil ist dann nur zwischen 40 und 50 Knoten schneller. Das wäre also etwa gut bei viel Wind downwind, aber auf allen anderen Kursen und bei weniger Wind wäre das Boot langsamer.
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Beim SailGP ist das egal, das sind Einheitsklassen-Boote, die fahren ja alle dasselbe Foil, und die Regattaleitung entscheidet, welches benutzt wird. Aber beim America’s Cup, den Imocas oder Ultims liegt die Wahl beim Team. In den offenen Klassen muss man sich genau überlegen, wann Kavitation beginnen darf. Es ist eine aktive Entscheidung beim Design.
Unterschiedliche Arbeitszustände eines Foils
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Dann ist die Idee der Grenze also im Grunde falsch?
Jein. Du kannst auch schon bei zehn Knoten Kavitation haben. Das hängt nur vom Unterdruck des Profils ab. Nehmen wir die Imoca-Foils: Die kavitieren bei etwa 35 Knoten. Das macht man absichtlich, weil ein Open 60 eben nicht schneller segelt, der fliegt ja nicht komplett. Deshalb hat es keinen Sinn, Profile zu benutzen, die erst bei 40 Knoten kavitieren, von null bis 33 jedoch langsamer wären. Aber es gibt schon eine Obergrenze. Jenseits von 60 Knoten wird es schwierig, mit einem für den Einsatz im flüssigen Wasser gedachten Foil nicht zu kavitieren. Neben dem Hochgeschwindigkeits-Aspekt gibt es aber auch ein Kavitationsproblem bei geringen Geschwindigkeiten. Soll das Foil da noch genug Auftrieb erreichen, muss man mit einem hohen Anstellwinkel arbeiten. Dann hat man auch bei geringem Speed Unterdruckspitzen, die dazu führen, dass das Profil selbst bei wenig Speed lokal an der Oberseite vorn kavitiert, das bremst wieder.
Verlagssonderveröffentlichung
Die Schwierigkeit für die Foils im America’s Cup oder SailGP ist, dass man mit herkömmlichen Profilen einen Geschwindigkeitsbereich von 20 bis 25 Knoten abdecken kann, in dem das Foil gar nicht kavitiert. Und diesen Bereich muss man bewusst wählen, und er ist auch nur schwer zu vergrößern. Wenn du bei 20 Knoten abheben willst, ist dein Geschwindigkeitsbereich ohne Kavitation dann 20 bis 40 Knoten. Wenn du 45 Knoten erreichen willst, ist die Abhebegeschwindigkeit 25 Knoten.
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Ist es ideal, wenn man möglichst viele Foil-Sätze baut?
Eigentlich ja, aber beim America’s Cup ist das verboten, wir dürfen nur einen Satz Foils benutzen. Das wurde absichtlich gemacht, um die Kosten einigermaßen im Rahmen zu halten, denn die sind extrem hoch. SailGP benutzt wegen der verschiedenen Veranstaltungsorte mit sehr unterschiedlichen Windbedingungen mehr Profile, damit die Boote auch bei wenig Wind fliegen.
Was kostet ein Satz Foils für ein AC-Boot etwa?
Eins liegt deutlich über einer Million Euro, mit Reserve-Foil sind das drei bis dreieinhalb Millionen Euro. Wir wollten nicht, dass Teams extreme Profile entwickeln, die dann zu sehr großen Geschwindigkeitsunterschieden führen könnten. In dem Fall wird das so ein Pokerspiel: Welches Foil nehme ich bei welchem Wind? Wenn man dann danebengreift, ist das so, als ob man bei der Formel 1 bei Trockenheit mit Regenreifen fährt. Es ist zu erwarten, dass alle Teams mehr oder weniger Allround-Foils konstruieren. So haben wir dann vernünftige Regatten mit vergleichbaren Geschwindigkeiten. Darauf deutet auch hin, was wir bei den Tests mit den LEQ12-Booten sehen: Alle haben in ähnliche, gemäßigte Richtungen entwickelt.
Ist das höhere Gewicht der Offshore-Boote wie der Imocas und der Ultims nicht ein Problem, die müssen dadurch ja auch viel dicker sein?
Bei Foils ist Dicke immer ein Problem. Die Kavitationsgeschwindigkeit wird durch die prozentuale Dicke bestimmt. Das heißt: Ein Foil, das elf Prozent dick im Verhältnis zur Sehnenlänge ist, kavitiert bei 48 Knoten, eines, das 16 Prozent dick ist, bei 38 Knoten. Es ist die relative Dicke. Und natürlich will man die benetzte Oberfläche verringern. Ein Beispiel: Du musst aus Festigkeitsgründen fünf Zentimeter Dicke haben, damit das Foil nicht bricht. Wenn du dann ein Zehn-Prozent-Profil wählst, bedeutet das 50 Zentimeter Sehnenlänge. Bei 20 Prozent sind das dann nur 25 Zentimeter Sehnenlänge. Es geht also immer darum, den besten Kompromiss zu finden zwischen der zu erwartenden Kavitation und Geschwindigkeit. Schnelle Foils müssen dünner sein, dafür wird die benetzte Fläche größer. Daher liegen Imoca-Flügel etwa bei 14 Prozent relativer Dicke, SailGP-Foils so bei zehn Prozent. Aber man kann sagen: Alle Foils, egal ob Imoca, Ultim, SailGP oder America’s Cup, sind am Festigkeits-Limit.
Macht es eigentlich einen großen Unterschied zwischen den Imocas und den anderen Foilern aus, dass sie keine T-Foils an den Rudern haben? Dadurch fliegen sie ja nicht so stabil wie ein America’s-Cupper beispielsweise.
Ja, das macht einen großen Unterschied. Das Fehlen eines T-Ruders bei den Imocas hat zur Folge, dass das Heck absinkt, wenn das Boot zu fliegen beginnt. Dadurch vergrößert sich der Anstellwinkel des Haupt-Foils, es wird zu viel Auftrieb erzeugt, und das Boot schießt vorn aus dem Wasser bis zum Strömungsabriss am Haupt-Flügel. Das Boot kracht herunter. Man erzielt also keine stabilen langen Flugphasen wie bei America’s-Cup-, SailGP-Booten oder den Ultims.
Bei einem YACHT-Interview zum Start der Ultims sagte Charles Caudrelier kürzlich, dass es bei den Offshore-Booten keine T-Foils geben wird, da die nur funktionieren, wenn sie die ganze Zeit reguliert werden, was ein Einhand-Skipper niemals leisten könne, und automatische Systeme sind verboten. Ist das so?
Ja. Die benötigen Foils, welche die Flughöhe selbst regulieren. Die ersten im America’s Cup waren auch so, diese J-Foils. Das funktioniert so: Zwischen dem Foil-Schaft, der eigentlich immer im Boot steckt, und dem Tip ist stets ein Winkel: Der Tip geht nach innen und leicht oben. Wenn man dann segelt und das Boot in einer bestimmten Höhe fliegt und durch mehr Speed oder eine Welle das Foil weiter aus dem Wasser kommt, verringert es die Fläche desSchafts im Wasser. Infolgedessen erhöht sich die Abdrift nach Lee. Und durch die Abdrift verringert sich der Anströmwinkel des Wassers am Tip. Dadurch verliert das Foil Auftrieb, und das Boot sinkt wieder herab. Die Abdrift wird geringer, und das Ganze wiederholt sich nun, allerdings in umgekehrter Richtung.
Wie aufwändig ist die Regulierung mit T-Foils dann beim America’s Cup im Vergleich?
Das ist ein Vollzeit-Job. Typischerweise reguliert ein Crewmitglied den Winkel der Flaps am Ende des Foils einmal pro Sekunde. Das Teammitglied konzentriert sich auf nichts anderes. Das geht bei einem Ultim oder Imoca natürlich nicht.
Bei den Ultims, die voll foilen, hätte man eine dramatische Verbesserung der Etmale erwartet. Warum fällt die bestehende Marke nicht?
Dafür sind die Tage, an denen die Tris 700 Meilen schaffen, deutlich mehr geworden. Die Verbesserungen sind eher in den Durchschnitts-Speeds und der Kontrolle der Boote zu finden. Zum Beispiel haben die Ultims am Schwert im Hauptrumpf alle jetzt unten ein T-Foil. Damit kann aktiv das aufrichtende Moment und die Flughöhe gesteuert werden. Das heißt, wenn der Rumpf sinkt, wird das Foil auf Auftrieb gestellt und drückt das Boot heraus. Wenn Sie zu viel Druck haben und vielleicht eher die Schot öffnen müssten, können Sie das T-Foil auf Downforce stellen, das zieht das Boot dann nach unten und erhöht das aufrichtende Moment sofort. Das ist mit einer simplen Verstellung des Foils einfacher, als die Schoten zu öffnen und wieder mühsam dichtzuholen.
Noch mal eine Frage zum Thema Kavitation. Die schädigt ja durch die implodierenden Dampfblasen das Material des Foils. Wie stark ist der Effekt, und wie lange dauert es, bis die Schäden kritisch werden?
Das kann sehr schnell gehen, nicht in Minuten, aber in Stunden. Bei der Implosion der Dampfblasen können Temperaturen bis zu mehreren Hundert Grad auftreten. Dies schädigt das Material, es können Löcher oder Delaminierung entstehen. Deshalb werden die Foils so designt, dass die Kavitation bei hohem Speed möglichst weit hinten auftritt, also die Implosionen hinter dem Profil einsetzen.
Was passiert eigentlich bei den Highspeed-Rekordversuchen? Das Schweizer Team SP80 versucht gerade den Rekord des britischen Teams Sailrocket von Paul Larsen mit 65,45 Knoten aus dem Jahr 2012 zu brechen und hat sich den Sprung nahe an die 80-Knoten-Mauer auf die Fahnen geschrieben. Paul Larsen erklärte gegenüber der YACHT, sie haben schon „ventilierende Foils“ genutzt. Nun sprechen die Schweizer sogar von „superventilierenden Foils“. Was muss man sich darunter vorstellen?
Die beiden Phänomene Kavitation und Ventilation sind dafür zu unterscheiden. Kavitation meint den Effekt, wenn das Wasser am Foil verdampft. Ventilation meint, dass der Flügel von der Wasseroberfläche Luft ansaugt. Bei einem Foil, das ventiliert, arbeitet die Unterdruckseite in Luft. Bei einem, das kavitiert, arbeitet die Unterdruckseite in Wasserdampf.
Die Profile von Sailrocket oder jetzt wohl auch von SP80 durchstoßen die Wasseroberfläche, und bei sehr hohen Geschwindigkeiten setzt dann erst Kavitation ein, die zu Ventilation führt, bis das Foil auf der Unterdruckseite komplett, also auf ganzer Fläche, ventiliert. Man verliert die Saugwirkung auf der Unterdruckseite, aber der Überdruck auf der anderen Seite bewirkt, dass immer noch eine, wenn auch geringere Kraft erzeugt wird. Dazu muss man wissen, dass die Foils der Boote anders funktionieren: Sie drücken das Boot nicht aus dem Wasser, sondern ziehen es hinein, halten es im Wasser. Sowohl bei Sailrocket als auch den Kite-Modellen zieht das Segel das Boot nämlich stark nach oben. Das heißt, das Foil garantiert den Wasserkontakt. Bei Sailrocket war das so, dass die Oberseite komplett in Luft funktionierte, nur die Unterseite funktionierte noch im Wasser. Als sie das zu Beginn noch nicht so gut im Griff hatten, ist das Boot genau deshalb ja auch einmal abgehoben und hat sich in der Luft überschlagen.
Was ist dann der Vorteil dieser ventilierenden Foils?
Man hat keine Wahl, bei Geschwindigkeiten über 60 Knoten funktioniert ein Foil für flüssiges Wasser einfach nicht mehr. Also wird sichergestellt, dass zumindest die Überdruckseite noch arbeitet. Wenn man erst einmal in diesem Bereich ist, gibt es im Prinzip keine physikalische Grenze mehr für noch höhere Geschwindigkeiten. Solche Profile sehen dann auch ganz anders aus als Foils, die nur in flüssigem Wasser funktionieren sollen. Die sind vorn sehr spitz und an der Rückseite stumpf, fast wie ein Keil. Das Problem ist aber, dass solche Foils in den niedrigen Speed-Bereichen, also von null bis 30 oder so, sehr schlecht sind. Die Segelfläche ist ja für Highspeed eher knapp bemessen. Sailrocket hat lange gebraucht, um diesen Übergang aus eigener Kraft hinzubekommen, die haben jahrelang bei 30 Knoten herumgedoktert. Als sie dann schließlich über 40 gekommen sind, waren sie sehr schnell beim Rekord von 65 Knoten.
Bislang waren die schnellsten Segelfahrzeuge im Verhältnis zur Windgeschwindigkeit zu sehen. Die SailGP- und America’s-Cup-Boote segeln irgendwo zwischen drei- und vierfacher Windgeschwindigkeit, die Land- und Eissegler schon bei sechs- bis achtfacher. Was kommt da noch beim Segeln?
Die Speedrekord-Boote haben tatsächlich einen sehr schlechteren Effizienzfaktor, was das angeht. Die liegen eher so bei zwei- bis zweieinhalbfacher Windgeschwindigkeit. Deshalb sind die auch auf diese Highspeed-Windspots wie den Lüderitzkanal vor Namibia oder die Mistralschneisen am Mittelmeer angewiesen. Der Faktor zwischen Wind- und Bootsgeschwindigkeit hängt in erster Linie von dem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ab. Ist Letzteres gut, ist auch Ersterer gut. Aber dieses Verhältnis ist bei ventilierenden Foils viel, viel schlechter als bei normalen Profilen. Ein normales Foil könnte Verhältnisse von 1:20 erreichen, ein hyperventilierendes Foil ist schon bei 1:5 gut bedient.
Bei den Surfern ist das noch schlechter. Die erreichen 50 Knoten in etwa 50 Knoten Wind, das Verhältnis ist also fast 1:1. Deshalb sind da nicht mehr große Sprünge zu erzielen. Und natürlich ist bei einem Windsurfer die Aerodynamik durch den Fahrer im Wind, mit ausgestreckten Armen und so, einfach elend. Bei den Speeds spielen Hydro- und Aerodynamik ja gleichwertige Rollen.
Gutes Stichwort: Bei den Ultims wurde zuletzt massiv in die Verbesserung der Aerodynamik investiert: Die Bäume bekamen Verkleidungen bis aufs Deck, sogenannte Deck-Sweeper, damit der Endplatten-Effekt wirkt, der die Turbulenzen senkt. Wie wichtig ist das im America’s Cup?
Enorm wichtig. Wir werden beim Cup sehen, dass die Boote alle aerodynamisch komplett durchoptimiert sind. Die Aerodynamik ist fast wichtiger als die Hydrodynamik. Ein Beispiel: Das geht so weit, dass das Ruder nach aerodynamischen Gesichtspunkten perfektioniert wird. Das kommt ja beim Foilen mit dem Schaft aus dem Wasser. Der Teil ist dann auf Luftwiderstand optimiert, nicht auf Wasserwiderstand.
Zum Material der Foils: Beim SailGP sind die neuen jetzt aus Titan statt Kohlefaser gefertigt, bei den Imocas und Ultims sind es aufwändige Laminate aus Hunderten Lagen Kohlefaser. Der Bau ist so teuer und langwierig. Wie ist es beim Cup?
Der Bau der Foils dauert wirklich ewig lange, eins braucht Monate. Sie werden aus Stahl gefräst, dadurch können sie noch dünner werden. Das ist hochfester Stahl, der extra geschmiedet und behandelt werden muss. Das Fräsen danach dauert sehr lange, da der Stahl extrem hart ist.
Beim Laminieren der Kohlefaser-Foils gibt es ja viele Fehlerquellen: Harzanteil, Lufteinschlüsse, Anpressdruck. Ist das bei Stahl viel einfacher?
Genau. Bei Metall ist das Risiko, dass etwas schiefläuft, deutlich geringer.
Dann drücken wir die Daumen, dass dieser Cup spannender und enger wird als beim letzten Mal.
Uns wäre es lieb, wenn es nicht spannend wird. Wenn wir so dominieren, dass die anderen keine Chance haben, das wäre okay für mich (lacht). England versucht seit 170 Jahren den Cup zu gewinnen, da wird es jetzt mal Zeit!
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