Soweit neuere Aufzeichnungen zeigen, haben Menschen erst in den letzten paar hundert Jahren tief unter der Oberfläche geforscht. Obwohl es stark umstritten ist, wann das erste U-Boot gebaut wurde, verdanken viele den Titel Cornelis Drebbel, einem HolländerErfinder behauptete, 1620 das erste schiffbare U-Boot der Welt erfunden zu haben.
Seitdem haben sich U-Boote in Mobilität, Stärke und Tarnung verbessert – einige davon können bis zu unter Wasser bleiben.drei Monateunter Wasser.
Hier ist die interessante Technik einiger der fortschrittlichsten U-Boote der Welt.
Die Interessante Technik | wissenschaft-x.com von U-Booten
Nur wenige Auserwählte sind in den tiefsten Teil der Weltmeere, den Marianengraben, abgetaucht. Tatsächlich haben mehr Menschen den Mond erforscht als diejenigen, die den absolut tiefsten Punkt der Erde erobert haben, der als Challenger Deep bezeichnet wird.
Die ersten Menschen, die jemals auf den Grund des Challenger Deep abgestiegen sind, sind die Hydronauten Don Walsh und Jacques Piccard. Das Team versenkte ihr Tauchboot, die Bathyscaphe Triest, bis zum Meeresgrund im Jahr 1960.
Die Bathyscaphe Triest
Das Bathyscaphe-Schiff taucht unter die Oberfläche und wird von einem Oberflächenschwimmer anstelle einer Besatzung getragen. Früher wurden angetriebene Tiefsee-Tauchboote von einem Schwimmer getragen, der an der Wasseroberfläche verbleibt. Seine Kabine ist schmal und klein mitgerade genug Platz für eine zweiköpfige Crew. Der Rest des Rumpfes wird von wissenschaftlichen Geräten eingenommen, mit denen eine der lebensfeindlichsten Regionen der Welt auf dem Planeten, der Meeresgrund, untersucht wird.
Seit die beiden Hydronauten 1960 den Boden des Grabens erforschten, sind nur eine Handvoll Menschen zurückgekehrt.
The Challenger Deep spricht für eine der schwierigsten Herausforderungen, denen sich Ingenieure stellen müssen – Druck und Lebenserhaltung.
Hohe Drücke drohen, den Rumpf eines jeden Schiffes zu zerbröckeln. Für alle 10 Meter Wasser sinkt der Druck um eine ganze Atmosphäre. Das ist der gleiche Druck, der auf die Oberfläche eines Objekts durch das gesamte Gewicht der Atmosphäre ausgeübt wirdvom Meeresspiegel bis in die Weiten des Weltraums. Am Grund des Challenger Deeps übersteigt der Druck 1000 Atmosphären fast 15000 PSI.
Nur kleine kugelförmige Schiffe können dem starken Druck am Meeresgrund standhalten. Bemannte U-Boote sinken in der Regel nicht weiter als einen Kilometer unter die Wasseroberfläche. Moderne U-Boote können unabhängig operieren und eine Besatzung wochenlang unterstützen. Diemodernste Atom-U-Boote können unabhängig operieren und die Besatzung monatelang mit lebenserhaltenden Systemen versorgen.
Es gibt viele Arten von U-Booten, von denen einige mit Elektro-, Diesel- oder Atomantrieb betrieben werden. Es gibt ein großes Missverständnis, dass Dieselmotoren die Propeller eines U-Bootes direkt antreiben. Viele Leute fragen sich, wie ein Dieselmotor mit genug unter Wasser laufen könnteSauerstoff für ihn und die Crew, während gleichzeitig der Auspuff irgendwie versteckt wird. Die Lösung des Problems ist eine viel trivialere Lösung, da der Motor überhaupt nicht unter Wasser verwendet wird.
Wie Besatzungen und Motoren unter Wasser atmen
Die Lösung, um einen Diesel mit genügend Sauerstoff zu versorgen, ist einfach. Dieselbetriebene U-Boote sind normalerweise Hybride. Der Dieselmotor treibt normalerweise einen Generator an, der einen Akku antreibt. Der Motor wird jedoch nur verwendet, während das U-Boot auftauchtdie Batterien gehen zur Neige, das U-Boot taucht wieder auf und lässt seine Motoren laufen, um seine Batterie mit Strom zu versorgen.
Sauerstoff an Bord mitzuführen ist die einfache Lösung. Jedes Mal, wenn das U-Boot wieder auftaucht, werden riesige Kanister mit Luft vollgepumpt. Das System ist für Missionen geeignet, die nicht länger als einen Monat dauern. Regierungen gehen jedoch immer an die Grenzen der Marinekapazitätendie Zeit, Stealth ist die wichtigste Überlegung.
Im Wasser ist das Fahrzeug versteckt, auf der Wasseroberfläche jedoch wird ein U-Boot zu einer sitzenden Ente.
Natürlich bleibt das Problem - U-Boote auftauchen und sie verwundbar machen.
BrainStuff erklärt, wie Motoren in Diesel-U-Booten atmen.
Bei elektrisch und dieselbetriebenen U-Booten besteht das Sauerstoffproblem weiterhin.
Die Lösung gibt es - Elektrolyse - der Prozess der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von Strom. Leider ist die Spaltung von Wasser für vollelektrische und Diesel-U-Boote zu energieintensiv für ihre reservierte Stromversorgung. Elektro- und Diesel-U-Boote tun dies einfach nichtgenug Energie an Bord zu haben, um die Besatzung über einen längeren Zeitraum mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen. Der Prozess entlädt die Batterien, die den Motor antreiben, und zwingt das Schiff an die Oberfläche, wodurch der Zweck vollständig zunichte gemacht wird.
Elektrolyse
Elektrolyse ist normalerweise den größten und fortschrittlichsten U-Booten vorbehalten - Atom-U-Booten. Der Prozess funktioniert, indem ein elektrischer Strom durch Wasser geleitet wird. Der Strom liefert die Energie, die erforderlich ist, um die Bindungen von Wasser oder H zu spalten2O.
An einem typischen Tag verbraucht eine Person etwa ein Kilogramm Sauerstoff zusammen mit einer Mischung aus meist inerten Gasen. Kommerzielle Elektrolysesysteme benötigen normalerweise ca. 50 Kilowattstunden Strom, um aus 9 kg Wasser 1 kg H2 und 8 kg O2 zu erzeugen. Anstatt Batterien ständig zu entleeren, liefern Atom-U-Boote eine konstante Energiequelle - genug, um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen.
Das System liefert mehr als genug Sauerstoff, übrigens wird dabei Wasserstoff hergestellt. Im Normalbetrieb verteilen Atom-U-Boote den Wasserstoff direkt im Wasser. Bei verdeckten Operationen werden jedoch geheime Methoden verwendet, um den Wasserstoff aus dem Abgas zu waschen.
Da einige Marinen die Wasserstofffreisetzung im Wasser erkennen können, werden die meisten Waschmethoden geheim gehalten. Obwohl die U-Boote wahrscheinlich Katalysatoren verwenden, um Wasserstoff zu einer anderen Verbindung hinzuzufügen. Dies ist jedoch nicht die einzige heimliche Überlegung, die U-Boot-Ingenieure berücksichtigen müssen.
Die Stealth-Technologien von U-Booten
U-Boote machen eine Menge Lärm durch ihre Motoren, Propeller und den allgemeinen Betrieb. Der Lärm verursacht Vibrationen, die leicht kilometerweit durch das Wasser getragen werden. Jedes Teil eines Militär-U-Bootes wird unter Berücksichtigung der Tarnung gebaut. Jedes vibrierende Teilwird mit Gummilagern gehalten, die die meisten Vibrationen aktiv dämpfen.Die Technik funktioniert von außen gut, ist aber nicht die einzige Geräuschquelle am Schiff.
Fast alle U-Boote sind Propellerantriebe. Wenn die Propeller durch das Wasser schneiden, erzeugen sie aus mehreren Gründen Geräusche. Erstens senden die Klingen Vibrationen aus, wenn sie durch die Luft schneiden, und zweitens erzeugen die Klingen Kavitationsblasen, die kollabieren, wodurch mehr Vibrationen durch das Wasser gesendet werden - und die Klinge selbst beschädigt wird.
Kavitationsblasen bilden sich auf der Saugseite eines Propellers, wenn der Druck des Wassers unter den Dampfdruck von Wasser sinkt. So schnell wie die Blasen entstehen, verschwinden sie fast genauso schnell. Die Blase kollabiert auf dem Propellerblatt und verursachtsie abnutzen und Geräusche abgeben.
Das Geräusch ist leicht zu erkennen, daher ist es für U-Boot-Ingenieure unerlässlich, schalldämpfende Schaufeln zu entwickeln, die die Kavitation reduzieren.
U-Boot-Ingenieure ändern die Form des Propellers, um Turbulenzen zu reduzieren und das Gesamtgeräusch der Blätter zu reduzieren, wenn sie durch das Wasser schneiden. Oftmals gibt es vier oder mehr Blätter, die mehr Wasser aus dem Weg treiben, während sie sich mit geringerer Geschwindigkeit drehenDas Ergebnis ist ein Propeller, der sich nicht so schnell drehen muss, um die gleichen Geschwindigkeiten zu erreichen wie Propeller mit weniger Blättern.Da sich die Blätter langsamer drehen, gibt es weniger Turbulenzen und weniger Bildung von Kavitationsblasen.Manchmal werden spezielle Rillen in denSchaufeln, die das Wasser möglichst störungsfrei weiterleiten und so die Kavitationsbildung nochmals reduzieren.
Das U-Boot ist auch stromlinienförmig, um Wasser durch die Blätter zu leiten und so viel Turbulenz wie möglich zu reduzieren. Wenn die Konstruktion nicht ausreicht, wird manchmal ein Ring oder Käfig um den Propeller installiert, der das Wasser linearer leitet.
Andere Schallunterdrückungstechnologien
Die Geräusche des U-Boots selbst zu unterdrücken ist eine Herausforderung. Aber ein U-Boot zu entwickeln, das in der Lage ist, dem feindlichen Sonar auszuweichen, stellt eine andere Situation dar.
Sonar ist ein Gerät zur Erkennung von Objekten unter Wasser. Schallimpulse werden ausgesendet und ein Detektor zeichnet alle zurückkommenden Impulse auf. Durch die Bestimmung der Zeit, die ein Impuls für die Rückkehr benötigt, kann die Entfernung zwischen dem Detektor und dem Objekt leicht bestimmt werden.
Der massive Rumpf großer U-Boote ist kaum heimlich. Als metallische Hülle reflektiert die Oberfläche eines U-Bootes leicht Geräusche, wodurch sie für das feindliche Radar gut sichtbar ist. Die Lösung, um sich vor dem Radar zu verstecken, kommt von einer unwahrscheinlichen Quelle: Blasen.
Unter Wasser absorbieren Luftblasen leicht Geräusche. Wenn sich Schallwellen durch das Wasser ausbreiten, verteilen sie sich im Laufe der Zeit langsam. Das Einführen von Blasen stört den Schall und zwingt ihn, durch ein Medium zum anderen zu wandern., mit jeder Blase ein wenig Energie absorbieren.
Eingehende Schallschwingungen kollidieren mit den Blasen und zwingen die Blase, zu vibrieren oder sich zusammenzuziehen und auszudehnen. Die Fluktuationen führen dazu, dass die Luft im Inneren komprimiert wird, wodurch Wärme entsteht. Im Wesentlichen wird die Schallenergie von Geräuschen in Wärme umgewandelt.
Entgegen der Intuition könnte die Erzeugung von Blasen tatsächlich die Klangsignatur eines U-Boots verschleiern. Obwohl es fast unmöglich ist, alle Geräusche zu absorbieren, wurden daher reflexionsarme Kacheln eingeführt.
Ton unterdrückende Kacheln
Am Rande moderner U-Boote befinden sich Schichten von reflexionsarmen Fliesen, einem Gummimaterial mit Tausenden von winzigen Hohlräumen. Das Material setzt die Wirkung von Blasen im Wasser fort, ohne dass Blasen abgegeben und eine Position angezeigt werden muss.
Das Material absorbiert aktiv Sonar, während Lautsprecher vorhersehbare gegensätzliche Töne abspielen können, um etwas Lärm zu unterdrücken. Zusammen mit anderen Technologien halten die beiden U-Boote jederzeit verborgen und zeichnen auf dem Meeresboden.
Die extremen Fähigkeiten moderner Ingenieure sind das Ergebnis von Hunderten, wenn nicht Tausenden von Jahren des Versuchs und Irrtums. Die interessante Technik von U-Booten hält die Besatzungen am Leben und ist unter schwierigsten Bedingungen gut versteckt. Der Weltraum kann schwierig sein, aberes scheint, dass der Meeresgrund die größte Herausforderung darstellt.
Über: MIT, BrainStuff, MarineInsight, Geologie, BBC
Geschrieben von Maverick Baker