На современных крупнотоннажных судах всё чаще применяют паруса — это помогает экономить горючее и снижает нагрузку на экологию. Сейчас группа учёных стремится извлечь максимум выгоды из таких систем, однако задача оказалась куда сложнее первоначальных ожиданий.
Ирина Медведева
Четыре башни на носу корабля Odfjell Bow Olympus на самом деле представляют собой современные паруса, которые поднимаются на высоту 22 метра. Источник фото: norwegianscitechnews.com
Крупные транспортные средства — контейнеровозы, сухогрузы, танкеры — тратят колоссальные объёмы энергии и выбрасывают в атмосферу значительное количество вредных веществ.
Экологичные виды топлива вроде водорода или аммиака пока не стали удобным и доступным решением. Варианты с нулевым выбросом, такие как полная электрификация, тоже не подходят самым большим кораблям.
Именно поэтому всё больше владельцев флота возвращаются к древнейшему источнику энергии — ветру, видя в нём наиболее простое решение.
Как выглядят современные парусные установки
Сегодня существует несколько разновидностей парусных систем. Наибольшее распространение получили роторные паруса, крыльевые паруса и всасывающие паруса.
Роторный парус представляет собой крупный цилиндр, вращаемый мотором. Когда ветер воздействует на такой цилиндр, скорость потока с одной стороны увеличивается, а с другой — уменьшается. Возникает перепад давления, порождающий силу (эффект Магнуса), которая толкает корабль.
Крыльевой парус работает по тому же принципу, что авиационное крыло. Форма крыла самолёта и такого паруса устроена так, что скорость ветра с одной стороны выше, чем с другой. Это создаёт разницу давлений и формирует подъёмную силу. На судне крылья стоят вертикально, и давление направляет корабль вперёд.
Крыльевые паруса могут быть оснащены вентилятором, который засасывает воздух сзади. Это усиливает разницу давления на поверхности крыла. Такой вариант называют всасывающим парусом.
Проект reSail сосредоточен главным образом на крыльевых и всасывающих парусах.
«На фоне постоянного удорожания топлива и всё более явных климатических изменений современные паруса могут стать удачной альтернативой», — отмечает исследователь из SINTEF Янник Йосс.
Йосс возглавляет инициативу reSail, нацеленную на повышение эффективности новых парусных систем, которые технически называют ветровыми силовыми установками.
Основная идея проекта — современные паруса способны существенно сокращать расход топлива и выбросы. Учёные полагают, что колебания в экономии горючего отчасти объясняются слишком упрощёнными представлениями о ветровых условиях, с которыми сталкиваются корабли.
Современные паруса на корабле, подверженном влиянию сложных ветровых условий в море. Иллюстрация: SINTEF Energy AS. Источник: norwegianscitechnews.com
Всё больше крупных судов оборудуют современными парусами. В начале 2020 года такие системы были лишь на девяти больших кораблях. Сейчас их насчитывается 64, и, по информации SINTEF, многие суда готовятся к внедрению подобных решений. «Спрос уже растёт. Эти системы можно легко установить на уже эксплуатируемых судах, и они способны заметно снизить выбросы в морской отрасли», — говорит Йосс.
Компромисс между экономией и экологией
Для эффективной работы парусных систем и оптимального использования ветра нужно учесть множество факторов. Прежде всего, необходимо максимально точно понимать реальные характеристики ветра и его энергетический потенциал.
«Эти данные позволяют нам определить, где лучше разместить паруса на судне, как настраивать их для наилучшего использования ветра и как это повлияет на ходовые качества корабля», — поясняет Йосс.
На крупные суда (валовой тоннаж свыше 5000) — контейнеровозы, балкеры, танкеры — приходится около 90 процентов выбросов CO₂ в морском секторе. Согласно нормам FuelEU Maritime, к 2030 году выбросы нужно сократить на 6 процентов, а к 2050 году — на 80 процентов.
Поиск решений с нулевыми выбросами для таких судов — особенно трудная задача. Современные парусные системы являются одним из возможных вариантов, способным значительно уменьшить вредные выбросы. По имеющимся данным, на судах с парусами экономия топлива и снижение выбросов колеблются от двух до 25 процентов. Эти цифры ясно показывают, что такие системы нужно изучать более тщательно.
Работа над проектом выявила, что взаимодействие современных парусных решений с ветром гораздо сложнее, чем предполагалось ранее. «Мы более реалистично оценили ветровые условия, и они сильно отличаются от теоретических моделей», — говорит Йосс.
Ранее те же учёные изучали влияние сложных ветровых условий на ветряные турбины, и теперь эти знания пригодились. «Современные парусные системы сталкиваются с такими же сложными ветровыми условиями. Поэтому мы можем многое почерпнуть из нашего опыта», — добавляет Йосс.
Однако технологии — лишь половина успеха. Вторая половина лежит в области эксплуатации и логистики. Оптимальная навигация с учётом ветрового потенциала требует пересмотра маршрутов: судно, оснащённое парусами, может сознательно отклоняться от кратчайшего пути, чтобы провести больше времени в зонах сильных и устойчивых ветров. Это увеличивает время в пути, но резко снижает расход топлива.
Для судовладельцев такой компромисс становится экономически оправданным, особенно на фоне ужесточения экологических норм и роста цен на углеродные квоты. Учёные из reSail намерены создать цифровые двойники судов, которые будут в реальном времени рассчитывать баланс между скоростью, расходом топлива и выбросами.
Ветер имеет сложную структуру
Проект reSail уже показал, что понимание ветра как стабильного и предсказуемого потока — это заблуждение. В реальности ветер над океаном постоянно пульсирует, меняет направление и силу на коротких дистанциях, а корпус судна и сами паруса создают турбулентные завихрения, которые либо усиливают, либо гасят полезную тягу.
Учёные выяснили, что стандартные метеорологические модели, основанные на средних скоростях ветра, не способны предсказать реальную нагрузку на парусную систему.
Именно поэтому разброс экономии топлива оказался таким огромным: от двух процентов в штилевых условиях до четверти расхода при правильной настройке и благоприятном ветре. Теперь задача исследователей — не просто установить парус, а научить его адаптироваться к каждой секунде движения.
Исследователи выяснили, что ветер меняется гораздо сильнее, чем считалось ранее, и что сам корабль вместе с парусной системой существенно влияют на поток воздуха.
«Если использовать стандартный профиль ветра, как это часто делается, результаты будут неточными. Упрощённые допущения и модели недостаточны, потому что они не учитывают сложность и изменчивость ветра.
Мы поняли, что выбросы можно значительно сократить, если правильно оценивать ветровые условия, конструкцию парусной системы, её расположение, управление и оптимальную эксплуатацию судна. Сколько всего нам ещё предстоит узнать», — говорит Йосс.
Оборудование для измерения скорости ветра на судне Odfjell Bow Olympus. Фото: Феликс Кельберлау / Fugro
Испытания в аэродинамической трубе
Как рассказывает norwegianscitechnews.com, в рамках проекта команда reSail провела замеры ветра на судне Bow Olympus, принадлежащем компании Odfjell. Недавно на нём установили паруса bound4blue. Измерения делались до и после установки. Оборудование для измерения ветра размещалось на носу.
Замеры выполнялись с помощью лидарной системы Fugro. Лидар определяет скорость и направление ветра, посылая лазерные лучи, отражающиеся от пыли и частиц в воздухе. Отражённый свет возвращается с иной частотой, что позволяет вычислить скорость ветра относительно судна.
В аэродинамической трубе NTNU начнутся испытания, которые позволят воспроизвести сложные ветровые сценарии. Модели кораблей будут оснащены подвижными крыльевыми парусами, а датчики зафиксируют мельчайшие изменения давления.
Учёные планируют создать алгоритмы, которые будут управлять углом атаки паруса в реальном времени, реагируя на порывы ветра ещё до того, как они полностью накроют судно. Если эти системы заработают, парус сможет буквально «ловить» энергию каждого дуновения, превращая хаотичный поток в стабильную движущую силу. Такой подход обещает не просто сократить выбросы, а сделать ветер предсказуемым источником энергии для гигантских кораблей.
Впереди множество новых открытий
Комплексный анализ работы судна с учётом всех собранных данных поможет современным парусам реализовать свой потенциал и обеспечить экономию топлива и снижение выбросов на 25 процентов и более. «Наша цель — сделать использование современных парусов на судах более привлекательным и тем самым способствовать необходимому сокращению выбросов в морском секторе», — заключает Йосс.
Перспективы выглядят обнадёживающе: если удастся преодолеть нынешний разрыв между теорией и практикой, современные паруса действительно могут стать стандартным оснащением для крупнотоннажного флота.
Это не возврат к прошлому, а синтез древней стихии и новейших материалов, датчиков и алгоритмов. Ветровая силовая установка перестанет быть экспериментальным дополнением и превратится в полноценный элемент силовой установки, работающий в связке с двигателем.
Такой гибридный подход позволит морской отрасли шагнуть к целевым показателям 2050 года, не дожидаясь прорыва в водородной или аккумуляторной энергетике. Ветер, капризный и мощный, наконец получает шанс стать надёжным партнёром самых больших кораблей планеты.
Современная судостроительная отрасль имеет явный экологический тренд, об этом мы писали в статье «Без мазута и солярки: китайское судостроение берет курс на «зеленое» топливо и выигрывает рекордные заказы».
А вот новость от Объединенной судостроительной корпорации (ОСК): компания изучает возможность использования роботизированных комплексов носимого типа на калининградской верфи «Янтарь». Испытания специализированных экзоскелетов для нужд промышленности проводятся на мощностях завода при участии специалистов Морского технического университета.