¿Qué limitaría el tamaño de un buque de carga marítimo a vela que utilice tecnologías modernas (o del futuro próximo), y qué tan grande podríamos llegar?

Sin límites*, pero ve con cometas.

Puedes leer más en Wikipedia . En pocas palabras, las velas de cometa ya se utilizan en barcos de varios tamaños, especialmente en los grandes. Claro, no como el único sistema de propulsión, pero no por falta de potencia. El problema está en la imprevisibilidad del viento, pero eso no es cierto en su mundo.

Las cometas actuales complementan hasta un 20% de la potencia de un carguero. Pero eso está limitado por el hecho de que estos cargueros no fueron construidos para ser remolcados, sino empujados; es una reforma. Usar una cometa 5 veces más grande con un casco diseñado para eso, con un frente más fuerte y una parte posterior más liviana, no debería ser un problema tecnológico. Ni siquiera debería hacer que el barco se vea sustancialmente diferente.

* Por supuesto, todos los límites de tamaño habituales aún se aplican, simplemente no se agregan nuevos límites al usar cometa.

Si bien no tengo las matemáticas para resolver esto, algunos ejemplos del mundo real sugieren que podría obtener un rendimiento bastante impresionante si cambia su forma de pensar acerca de las velas.

La America's Cup tuvo un problema cuando los diseñadores comenzaron a salirse de lo común. Los catamaranes gigantes con velas de alas no son, estrictamente hablando, yates, pero ciertamente se movían mucho más rápido que cualquier monocasco imaginable. La eficiencia de un ala sobre una vela de tela para convertir la energía del viento en movimiento es la clave:

Por supuesto, como puede ver en el gráfico, el "ala" tendrá que ser enorme, o puede que necesite tener la cubierta llena de alas, algo así como un triplano colocado de lado.

Incluso existen diseños más extremos, como el poseedor del récord mundial de velocidad de navegación " Sailrocket ", donde la vela proporciona sustentación y empuje. Es cuestionable cuán práctico sería esto para un buque de carga, pero un paquete rápido para llevar carga o correo valioso podría aprovechar este tipo de tecnología.

Cohete de vela Vestas

La clave de estos dos diseños es la vela rígida, que no disipa energía flexionándose o aleteando como una vela no rígida. Incluso un barco con aparejo de goleta que reemplaza el aparejo con tres alas debería ver un aumento considerable en el rendimiento solo por esa razón.

Entonces, si no te gustan las velas cometas, entonces las velas de alas son el camino a seguir.

Un barco de vela podría diseñarse tan grande como un superpetrolero moderno si quisiéramos hacer eso. Hay varias formas en las que podríamos recolectar energía eólica para mover el barco. El llamado concepto de "nave de rotor" es uno. Podemos usar lo que efectivamente son torres de turbinas eólicas en lugar de velas que pueden utilizar el viento desde cualquier dirección y básicamente cualquier velocidad y condición del mar. Combine eso con velas de cometa desplegadas cuando sea posible, y tendrá una combinación muy eficiente que moverá su barco de manera confiable si hay viento.

El tamaño máximo es más una función de la tecnología de los materiales que del tipo de propulsión. Con la tecnología de materiales modernos, podemos hacer un velero de cualquier tamaño que queramos. Obviamente, no es tan confiable como la energía de combustibles fósiles, pero ese es un tema diferente.

El velero sin motor auxiliar más grande jamás creado fue el Thomas W. Lawson con 145/120 m, mástil-popa/cubierta, un tercio del tamaño de un superpetrolero. Este barco fue diseñado irónicamente para transportar petróleo y carbón.

Las principales limitaciones de este barco eran la dificultad para manejarlo cerca de los puertos, si los barcos tan grandes fueran comunes, los puertos tendrían que estar equipados para manejarlos.

Me imagino muelles rectos, alineados uno al lado del otro, con puentes retráctiles que los conectan. Cada barco sería guiado a su ranura con un sistema de rieles y luego saldría del puerto en la dirección opuesta, desocupando la necesidad de giros cerrados.

Es importante tener en cuenta que los remolcadores serían completamente imposibles, pero al optimizar los puertos grandes de la manera anterior, nos deshacemos del aspecto más problemático de los súper barcos a vela.

Barcos tan grandes todavía guiñarían terriblemente y requerirían vientos muy fuertes para navegar en curso. Es probable que este tamaño sea el mayor posible, y muy posible que tal barco sea demasiado grande para ser utilizado prácticamente en grandes cantidades.

La tecnología de lastre moderna podría usarse para evitar la posibilidad de una gran guiñada y un posible vuelco, pero ninguna tecnología puede aumentar el viento disponible.

Una idea sería hacer los barcos más anchos y potencialmente equiparlos con dos velas una al lado de la otra, pero no tengo idea de si esto crearía una tensión demasiado grande en la cubierta, y sospecho que un barco así se rompería.

Diría que podría escalar fácilmente los grandes veleros de 1900 por un factor de dos (-> 220 m de largo más o menos), dando un factor de ocho en tonelaje (-> 40 000 toneladas). Los materiales y la tecnología modernos mantienen el tamaño de la tripulación en la misma región, 40-50 personas. Pasar de los aparejos completos a los aparejos de goletas o balandros de varios mástiles es posible con un tejido moderno y mantiene el tamaño de la tripulación más bajo.

La velocidad de prácticamente cualquier tipo de barco escala con la raíz cuadrada de la eslora, por lo que tendrás una media de 14 nudos, a menos que tengas una ruta con muy poco viento. Los pronósticos meteorológicos modernos también ayudarán aquí.

Las maniobras portuarias cuentan con la ayuda de una hélice de proa eléctrica accionada desde un remolcador (empujador) que funciona con baterías cargadas en tierra. El remolque era un gran problema en ese momento, cuando las condiciones de viento ligeramente adversas en el puerto podían permitir a los propietarios de remolcadores extorsionar las ganancias de todo el viaje. Definitivamente algo que quieres organizar. O gastas una pequeña cantidad de la energía eólica disponible durante la travesía en electrolisis de agua y haces maniobras portuarias con tu propia hidroeléctrica. Probablemente valga la pena, definitivamente querrás tener motores de emergencia de alta potencia.

Dado que tiene energía eólica predecible, podría establecer parques eólicos (no conectados a barcos) que produzcan electricidad para impulsar grandes motores eléctricos. Siempre que tenga alguna reserva de energía para esta electricidad (baterías grandes y eficientes), tal vez pueda hacer barcos a motor muy parecidos a los que tenemos hoy en día con motores eléctricos en lugar de motores de combustión. Otra alternativa si faltan baterías, podría ser un barco parecido a un portaaviones con turbinas eólicas en la parte superior que alimentan un motor eléctrico debajo.

Dicho esto, probablemente sea menos eficiente pasar de viento a eléctrico, a propulsión que simplemente pasar directamente de viento a propulsión, pero no creo que tenga que estar limitado por cosas como el tamaño del mástil si tiene una capacidad predecible. fuente de energía en alguna parte y una forma de almacenar y recuperar esa energía más adelante.

Desde el punto de vista de la ingeniería, la cuestión del límite de tamaño tiene mucho en común con la limitación del peso de un avión. Debe tener en cuenta la resistencia de los materiales disponibles, cuando se someten a fuerzas que intentan doblarlos o pandearlos. A medida que aumenta la longitud, rápidamente se vuelve imposible fabricar un ala (avión) o un mástil (vela) lo suficientemente rígidos.

No sé en qué se traduce este límite para un barco, que puede tener bastantes velas a lo largo de su eslora. Para un avión, los transportes militares pesados ​​existentes están bastante cerca del límite.

Una cometa es una excepción, porque está construida con tela y cables, todos los cuales están en tensión. Nada rígido para ser roto o doblado. Misma ventaja que un puente colgante sobre cualquier puente rígido.

¿Contaría un roter Flettner usando el efecto Magnus como una "vela"?

Veritasium tiene un video sobre el efecto Magnus y su uso en barcos y aviones . Estos barcos con cilindros giratorios en lugar de (o además) de velas tradicionales pueden llegar a ser bastante grandes. Un artículo de Gizmodo se refiere a ellos como megabuques y describe los rotores Flettner que se están adaptando a un petrolero de 110,000 TPM (Suezmax). Las ganancias de eficiencia son difíciles de calcular , y estos rotores Flettner están destinados a un uso complementario además de un motor existente, pero con condiciones de viento más predecibles, los cálculos involucrados serían más simples y este tipo de embarcación podría volverse común.

Aparte de los problemas obvios de los materiales, etc., cuanto más grande sea la embarcación, más grande deberá ser la vela para tener suficiente resistencia (o lo que sea), pero habrá un punto en el que el mástil y la vela corren el riesgo de desequilibrar la embarcación (a menos que era extremadamente ancho o tenía una orza extremadamente grande), así que supongo que eso sería un factor limitante, una cometa también sería una buena idea...