Der Widerstand des Wassers

Das Militär entwickelt ein U-Boot, das schneller fahren soll als die Concorde

Unterwasserreisen in Überschallgeschwindigkeit sind Zukunftsmusik, die notwendige Technologie ist jedoch bereits entwickelt. Angewendet könnte sie einem Unterwasserschiff ermöglichen, in der Stunde Tausende von Kilometern zurückzulegen und dabei nicht einmal nass zu werden.

Wie viele seltsame Ideen ist auch das Überschall-U-Boot den Wirren des kalten Krieges entsprungen. In den Sechzigern hatte die Sowjetunion relativ langsame Boote und war mit Torpedos konfrontiert, die ihre U-Boot Flotte ziemlich alt aussehen ließen. Anstatt die konventionelle Torpedotechnologie zu pushen, beschloss man, die Amerikaner mit einer radikalen Lösung auszubooten.

Was es in erster Linie zu überwinden galt, war der Widerstand des Wassers. Jedes Objekt, wie stromlinienförmig es auch sein mag, erzeugt Widerstand, wenn es sich durch eine Flüssigkeit bewegt. Das passiert in der Luft zwar auch, doch da Wasser im Vergleich zu Luft eine tausendfache Dichte hat, erzeugt es auch tausend Mal so viel Widerstand. Die Antriebskraft, welche nötig ist, um das Wasser wegzudrücken, ist proportional zu der dritten Potenz der Geschwindigkeit des Objektes. So war jede Verstärkung des Antriebes nur eine magere Geschwindigkeitserhöhung.

Anfang der Sechziger aber hatte Mikhail Merkulov am Institut für Hydrodynamik in Kiev eine Erleuchtung: dass nämlich die Lösung in einem Phänomen liegt, das man als Kavitation bezeichnet. Eine gewagte Idee, denn normalerweise ist die Kavitation mehr Fluch als Segen.

Der Begriff, der von dem lateinischen Wort cavus - hohl - abgeleitet ist, bezeichnet die Hohlraumbildung in flüssigen Medien. Dieser Vorgang kann in einem Fluid durch eine Erhöhung der Temperatur (bei konstantem Druck) oder durch eine Druckabsenkung (bei konstanter Temperatur) hervorgerufen werden. Die Wassermoleküle bilden Blasen, wenn sie nicht durch genügend Druck zusammengehalten werden. Kavitation tritt in vielen Bereichen der Technik auf: bei hydraulischen Maschinen (Turbinen oder Pumpen), der Schifffahrt (Schiffsschrauben), wasserbaulichen Anlagen (Stollen oder Schussrinnen) oder Motoren. In allen Bereichen verursacht die Kavitation Schäden, die den Betrieb der Anlagen einschränken oder sogar ganz unmöglich machen. Die eigentliche Kavitation ist noch relativ ungefährlich. Schäden entstehen erst, wenn die Kavitationsblasen in Zonen höheren Drucks transportiert werden und dort implosionsartig zusammenfallen.

Aber Super-Kavitation ist etwas anderes. Unter bestimmten Bedingungen (z.B. einer Mindestgeschwindigkeit von 180km/h) kann eine einzelne Kavitationsblase gebildet werden, welche das sich bewegende Objekt fast vollständig umschließt. Newton hat 1687 in seinen Principia Mathematica die Grundprinzipien der Superkavitation bereits verstanden, aber die praktische Umsetzung ist schwer.

Die leicht gebogene Nase ist das einzige, was an Merkulovs Unterwassergeschoss dem Wasser ausgesetzt ist und dessen Widerstand provoziert. Ohne Wasser konnte man aber nicht mit konventionellen Propellern arbeiten, so musste man einen neuartigen Unterwasserantrieb finden. Raketen? Sie funktionieren im leeren Raum und sie sind stark. Trotzdem gab es noch viele technische Fragen: angefangen von der Beschaffenheit der Nase, damit sie dem extremen Druck standhält, bis zur Erzeugung einer künstlichen Kavitation wurde über Jahrzehnte hinweg getüftelt. Anfang der Neunziger erst konnte in Russland ein Torpedo, genannt "Shkval", gebaut werden, der, vom U-Boot aus abgeschossen wie ein Pfeil, mit einer Geschwindigkeit von 500 km/h durchs Wasser raste: eine neue Wunderwaffe.

Eine lahme Ente jedoch, wenn man sieht, was kurz danach kam, nämlich die Durchbrechung der Schallgeschwindigkeit im Wasser. 1997 ist der erste Beweis "abgetaucht": Forscher vom US Naval Undersea Warfare Center (NUWC) in Newport, Rhode Island, feuerten mit einem Unterwassergeschütz ein Projektil ab, das fast 1,5 Kilometer in der Sekunde zurücklegt. Das ist gar nicht so weit entfernt von dem Geschwindigkeitsrekord von 2,5 Kilometer pro Sekunde für konventionelle Munition in der Luft.

Eine Kugel durchs Wasser zu schießen ist eine Sache. Eine andere Sache ist es, in einer von Raketen angetriebenen "Nussschale" zu sitzen, die durchs Wasser rast und von einer Luftblase umhüllt wird. Militärwissenschaftler diskutieren, welche Geschwindigkeit möglich wäre und anscheinend gibt es keinen Grund, warum das U-Boot nicht so schnell durchs Wasser schießen sollte wie eine Kugel. Und auch keinen Grund, warum man es nicht bemannen könnte.

Doch es fehlt noch am richtigen Antrieb. Eine Aluminium verbrennende Rakete wäre eine Möglichkeit. Da sie das Wasser als Sauerstofflieferant benutzen würde, müsste keiner mitgenommen werden. Wenn es aber zu langen Tauchstrecken kommt, braucht man eine größere Kraftquelle, also einen Atomreaktor. Dann könnte man - mit einer Geschwindigkeit von 2,5 Kilometern in der Sekunde - die Strecke London-New York in weniger als einer Stunde schaffen und lässig die Concorde abhängen. Vorausgesetzt, man stößt nicht mit einem Wal zusammen.

Denn mit dem Lenken ist das noch so eine Sache. Bis jetzt sind die Dinger nicht zu steuern, also "Straight Shooter". Doch Kam Ng vom Office of Naval Research und sein Team arbeiten daran. "Das Kriegswesen wird durch die Super-Kavitation vollständig revolutioniert," prognostiziert er. (Michaela Simon)