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Segeltuch für hohe Geschwindigkeiten



Am 22. August 1851 gewann die Segeljacht "America" gegen eine Flotte englischer Kutter und Schoner beim Hundred Guineas Cup um die Isle of Wight. Seit jener Zeit trägt der Wettlauf den Namen des Schiffes, denn es wurde ihm ein leichter Sieg nachgesagt. In Wirklichkeit erreichte die "America" das Ziel nur wenige Minuten vor einem kleineren Schiff, der "Aurora" (heutzutage hätte diese vermutlich den Sieg davongetragen, denn Regeln gleichen die Nachteile kleinerer – und dadurch langsamerer – Fahrzeuge aus).

Die "America" hatte den Sieg unter anderem ihrer innovativen Konstruktionsweise zu verdanken. Ihr spitzer Bug und schlanker Rumpf durchschnitten die unruhige See effektiver als die damals üblichen rundlicheren britischen Fahrzeuge. Zudem waren ihre Segel nicht aus Leinen, sondern Baumwolle. Zwar waren sie damit nicht so robust wie die englischer Boote, sie dehnten sich aber weniger und behielten dadurch im Wind ihre Form. In Berichten der Londoner Times über die Regatta stand denn zu lesen, daß die Segel der "America" auffällig straff und flach blieben.

Nach wie vor setzen die Teilnehmer hochdotierter Rennen auf neue Technologien, darunter auch kräftigere, leichtere Segel. Heutzutage verwendete Gewebe bestehen aus Schichten von festen Fasern und dünnen Kunststoffilmen.

Es ist ein weitverbreiteter Irrtum, zu glauben, daß sich Segel unter Wind in ihre optimale Form dehnen. In Wirklichkeit suchen die Hersteller nach Tuch, das seine Gestalt möglichst beibehält, denn nur dann lassen sich die zu erwartenden Windverhältnisse beim Entwurf berücksichtigen. So ermöglichen flachere Segel höhere Geschwindigkeit bei starkem Wind, während größere, vollere bei leichtem Wind mehr Leistung bringen.

Auch auf die Windrichtung kommt es an. Beispielsweise sucht man bei Fahrt vor dem Wind, also mit dem Wind im Rücken, durch ein quergestelltes, möglichst bauchiges Segel der Luftströmung einen hohen Widerstand entgegenzusetzen; abzüglich der gegen die Fahrtrichtung wirkenden Kräfte – etwa infolge der Wasserverdrängung oder der Reibung am Rumpf – entsteht so der Vortrieb. Kreuzen am Wind erfordert hingegen flache tragflächenartige Profile. Denn wenn der Wind schräg von vorn kommt, ergibt sich eine Kraft auf das Segel wie bei Flugzeugen aus einer Druckdifferenz zwischen den umströmten Segeloberflächen: Weil die Luft auf der Innenseite verzögert, auf der anderen hingegen beschleunigt wird, steigt nach dem von dem Schweizer Mathematiker, Physiker und Mediziner Daniel Bernoulli (1700 bis 1792) gefundenen Satz der senkrecht zum Segel wirkende Druck innen und sinkt außen – es entsteht eine Auftrieb genannte Kraft senkrecht zur Windrichtung. Allerdings würde sie das Schiff schräg zur Fahrtrichtung abtreiben. Weil das Boot selbst, sein Schwert und sein Kiel einer Kraftkomponente in Querrichtung aber widerstehen, verbleibt eine vorwärtstreibende Kraft, der Vortrieb. Moderne Boote können bis auf etwa 35 Grad an den Wind kreuzen.





Mehrlagige Gewebe


Um dem Segel eine den jeweiligen Anforderungen gemäße Gestalt zu geben, schneidet man bei konventioneller Herstellung die Stoffbahnen nicht gerade, sondern gekrümmt zu. Beim Aneinandernähen ergibt sich eine Wölbung; man spricht deshalb von Profilnähten. Außerdem wird auch das Vorliek, also die dem Mast zugewandte Segelkante, gerundet. Die Kurve sollte der Krümmung des Mastes bei maximaler Windlast entsprechen; bei geringerer trägt sie ebenfalls zur räumlichen Gestalt bei.

Die Gesamtwölbung, der Segelbauch, ist eine der wichtigsten Größen bei der Konstruktion. Experten bestimmen die Stelle, an der ein Segel seine größte Tiefe erhalten soll. Sie müssen aber auch berücksichtigen, daß es einen gewissen Verwindungsspielraum benötigt, denn die Geschwindigkeit des Windes wächst und seine Richtung wechselt mit der Höhe über der Wasserfläche. Das Segel muß sich deshalb derart in sich und um den Mast winden können, daß es der Luftstrom von oben bis unten im gleichen Winkel berührt.

Das Hauptproblem jeglicher Berechnung ist, daß einerseits die Form eines Segels die Luftbewegung über seine Fläche bestimmt, aber auch das Umgekehrte gilt. Zudem beeinflußt auch die Takelage die räumliche Gestalt, während es – anders als bei Flugzeugtragflächen – keine innere, stabilisierende Struktur gibt. Inzwischen läßt sich das Problem jedoch mit mittelgroßen Arbeitsplatzrechnern bewältigen. Ausgehend von einer angenäherten Form des Tuchs, den Parametern seiner Zusammensetzung und einer groben Schätzung der Verteilung des Luftdrucks über seiner Fläche läßt sich seine dreidimensionale Form unter diesem Druck abschätzen. Jeweils von der letzten vorigen Lösung ausgehend, werden beide Größen in mehreren Schritten so oft berechnet, bis eine hinreichend genaue gefunden ist (Bild 3 links).

Segelmacher können auch mit Hilfe einer sogenannten virtuellen Abform eine Konstruktion planen. Solche Software berechnet beispielsweise Gestalt und Struktur der einzelnen Stoffbahnen sowie die Krümmung der zahlreichen Nähte zwischen ihnen (Bild 3 rechts). Bei integrierten Fabrikationssystemen gelangen diese Informationen zu computergesteuerten Schneidemaschinen, was den Herstellungsprozeß stark beschleunigt und die Präzision verbessert.





Leichtere Stoffe


Nachdem Bahnen und Nähte festliegen, wählt man den Stoff aus. Ein Kriterium dafür ist das nun zu erwartende Gewicht. Zu schwere Segel verlieren bei schwachem Wind ihre Form. Um ein Kentern zu verhindern, müssen zudem die über dem Bootsschwerpunkt liegenden Massen von Segel und Mast mit Blei unter dem Schiffskörper ausgeglichen werden. Geringeres Segelgewicht ermöglicht demnach den Bau von insgesamt leichteren und somit schnelleren Booten. Auf rauher See drücken schwere Segel zudem den Bug in die Wellen und verlangsamen so die Fahrt. Sogar unter Deck aufbewahrtes Tuch kann erheblich zum Gesamtgewicht beitragen. Außerdem lassen sich leichtere Segel schneller, effizienter und ohne Zwischenfälle handhaben. Andererseits dehnen sie sich und reißen unter Umständen auch eher.

Aus diesen Gründen sucht man seit langer Zeit nach Stoffen, die robust und leicht sind. Baumwoll- und Leinengewebe waren schon vor dem Sieg der "America" und bis kurz vor dem Zweiten Weltkrieg in Gebrauch. In den fünfziger Jahren wurden dann natürliche Fasern durch synthetische – etwa aus Polyester oder Nylon – ersetzt. Wenn Dauerhaftigkeit und niedrige Kosten die wichtigsten Faktoren sind, werden noch heute Großsegel und Fock (das kleine, dreieckige Stagsegel vor dem Mast) aus fest gewebten Polyesterstoffen hergestellt. Auch Spinnaker – die oft bunten, fallschirmähnlichen Segel für Rückenwind – sind häufig aus leichtem Nylon- oder Polyestergewebe.

Die modernsten Rennsegel bestehen jedoch aus technischen Textilien, nämlich leichten flexiblen Verbundwerkstoffen (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, Februar 1996, Seite 88). Diese Laminate enthalten mehrere Schichten Stoff, verstärkende Fasern etwa aus Kevlar, das auch für kugelsichere Westen verwendet wird, sowie Mylar, einen Polyesterfilm; beide Kunststoffe vertreibt der internationale Konzern DuPont. Mit speziellen Webtechniken lassen sich die Kettfäden im mikroskopischen Maßstab gerade legen (Bild 1).

Die Zusammensetzung der einzelnen Komponenten entscheidet über die mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Die gegen Scherbeanspruchung beständige Mylarschicht hält die Fasern an ihrem Platz. Die Verstärkungsfasern erhöhen den Widerstand gegen Dehnung. Dabei ist nicht nur wichtig, daß der Stoff nicht reißt, er darf sich auch nicht dauerhaft zu stark verformen.

Verschiedene Faserarten wurden mit unterschiedlichem Erfolg getestet. Verstärkungen aus Polyester hat man erstmals in den siebziger Jahren verwendet. Bald darauf folgten erste Versuche mit Kevlar, das damals auf den Markt kam. Anfangs scheiterten diese Experimente, weil Segelmacher und Tuchhersteller es nicht gewohnt waren, mit so kräftigen, aber spröden Fasern zu arbeiten. In ersten Geweben daraus schädigten die Fasern, die einer Spannung in Richtung ihres Verlaufs ausgesetzt waren, die quer dazu laufenden; die Stoffe verschlissen sich quasi selbst. Andere Segel waren so robust, daß bei starkem Wind nicht sie selbst, sondern die sie haltenden Seile (die Schoten) zerrissen.

Um den Eigenverschleiß zu vermeiden, nutzte man auch andere Faserarten sowie Beschichtungen und Bindemittel. Zudem wurde die Belastung auf den Segeln anders verteilt und die sie haltenden Elemente verstärkt. So gewann 1980 ein Boot den America's Cup, dessen Großsegel aus kevlarverstärktem Laminat bestand. Und 1983, als die USA das erste Mal dieses Rennen verloren, benutzte der australische Gewinner Kevlar-Laminate für sämtliche Groß- und Vorsegel.

Doch bei der vier Jahre später folgenden Regatta widerstanden solche Segel, die immerhin bis zu 30000 Dollar gekostet hatten, starken Winden bei Free-mantle (Australien) nur wenige Stunden. Zunächst war der Grund völlig unklar, denn die verwendeten Stoffe waren ausreichend elastisch, um den vorausgesagten Windstärken standzuhalten. Als Ursache entpuppten sich unregelmäßige Belastungen bei Manövern, also Flattern und Schlagen der Segel. Deshalb bringt man inzwischen eine zweite Verstärkungsschicht ein, deren Fasern quer zur Richtung der Hauptbelastung liegen.

Für Rennsegel wird weiterhin meist Kevlar verwendet, doch auch andere Substanzen haben ihre Nischen gefunden. Beispielsweise ist das Polyethylen Spectra – seit Mitte der achtziger Jahre von dem Unternehmen Allied Signal hergestellt – weniger brüchig als andere extrem belastbare Fasern und daher in der Regel haltbarer. Da diese Faser aber dazu neigt, sich unter Last allmählich zu dehnen, muß man sie dicker wählen. Deshalb wird Spectra häufig für die Segel von Vergnügungsjachten verwendet, wo Festigkeit vor Leichtigkeit und Geschwindigkeit Vorrang hat.

Vectran, ein Flüssigkristall-Polymer, wurde in den letzten Jahren von Hoechst Celanese eingeführt. Ursprünglich war diese Substanz zu teuer, aber der Preis ist nach und nach gesunken. Bei den Vorbereitungen für den America's Cup 1992 hat man erstmals Kohlefasern in Segeltuch-Laminaten verwendet. Sie haben zwar bei gleicher Festigkeit nur etwa 60 Prozent des Gewichts solcher aus Kevlar, sind aber extrem brüchig und lassen sich mit anderen Stoffen schwer verbinden. Erste daraus gefertigte Segel verunreinigten das Bootsdeck durch Abrieb mit schwarzem Ruß. Auch heute ist das Material so teuer und heikel zu handhaben, daß man es nur bei den Wettkämpfen der obersten Preisklasse verwendet.





Robustere Strukturen


Zwar sind die Gewebe stetig verbessert worden, doch bis vor wenigen Jahren wurden sie nach wie vor in Bahnen geschnitten und diese dann aneinander genäht oder auf andere Weise verbunden. Mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Materialien wurden diese Nähte zum schwächsten Glied in der Kette, denn sie konnten rutschen oder reißen.

Vor sieben Jahren erfanden der Geologe Luc DuBois und der Segelmacher Jean-Pierre Baudet ein Verfahren, laminierte Segel aus einem Stück herzustellen, die sich, da im wesentlichen nahtlos, auch noch weniger dehnen.

Die Grundidee ist, die dreidimensionale Gestalt nicht erst nachträglich einem ebenen Gewebe aufzuprägen, sondern bereits durch eine entsprechende Abform vorzugeben, auf die man die Fasern auflegt; ihre Richtung entspricht dabei der vermutlichen Richtung der beim Gebrauch einwirkenden Kräfte. Dabei bringt man die verstärkenden Fasern in Richtung der antizipierten Windkräfte auf. Darauf kommen als Außenschichten mit Klebeband zusammengefügte, etwa eineinhalb Meter breite Kunststoff-Bahnen. Ein solches dreidimensional laminiertes (3DL-)Segel bewahrt seine Gestalt viel besser als ein konventionelles.

Im Jahr 1990 offerierten die Erfinder das Prinzip der Firma North Sails, bei der ich als Berater tätig war. Schon beim ersten Treffen zeigte sich, daß viele Probleme zu lösen waren. Da Jachtsegel in der Regel maßgeschneidert sind, mußten die zum Teil riesigen Abformen ihre Oberflächen verändern können, und zwar schnell und einfach. Andererseits sollten die Ränder von Segeln mit Befestigungspunkten der Takelage übereinstimmen – es gab also Fixpunkte, die bei jeder Variation der Abform erhalten bleiben mußten. Drittens sollte das roboterartige Gerät, das die Fasern auf die Form legt, deren Gestalt kennen, um nicht mit ihr zu kollidieren. Schließlich waren mit dem übrigen Herstellungsprozeß kompatible Bindungs- und Laminierungstechniken zu entwickeln.

In einem kleinen Raum und mit geringer finanzieller Unterstützung bauten die Erfinder ein Modell aus Sperrholz und legten, mit Hilfe von Drachenfliegerausrüstung in der Luft schwebend, die Fasern mit der Hand. Für ihr erstes Segel brauchten sie beinahe drei Wochen. Das Ergebnis war der Mühe wert: extrem leicht, aber weit kräftiger, als es aussah. North Sails beschloß, die erste komplette Anlage zu bauen, in der Hoffnung, schon für den America's Cup 1992 arbeiten zu können.

Zusammen mit einem kleinen Team von Ingenieuren und Technikern unternahmen DuBois und Baudet heimlich den Bau des ersten Fabrik-Prototyps. Tausende von kleinen Motoren wurden für die Konstruktion der flexiblen Abform benötigt. Um die Kosten zu senken, kaufte man Gebrauchtgeräte auf und baute die Motoren aus. So entstand eine Fabrik mit zwei Segelformen und einem sechsachsigen Portalroboter.

Zunächst war es schwierig, alle Elemente des Prozesses gleichzeitig zum Funktionieren zu bringen. Wiederholt mußten die Computer koordiniert werden, die Motoren und Portal steuerten. Selbst wenn die Fäden richtig verlegt waren, scheiterte oft die Laminierung, denn sie erfordert das Durchziehen eines Saugers zwischen den Filmen, der sie durch Unterdruck zusammenpreßt, wobei störende Luftblasen entweichen; Nadellöcher im Mylar waren damals ein immer wiederkehrendes Problem.

Als die ersten brauchbaren Produkte die Anlage verließen, war es schon zu spät für die Regatta, und in jenem Jahr erfolgte nur ein Praxistest. Doch 1994, bei den ersten Renneinsätzen, übertrafen 3DL-Segel alle anderen Fabrikate.

Um das Ergebnis zu konsolidieren, wurde vor etwa zwei Jahren eine effizientere zweite Anlage in Minden (Nevada) in Betrieb genommen. Der Ablauf einer Segelfertigung ist dort folgender: Ein Computer stellt die berechnete Oberfläche einer Abform mittels Motoren ein; die Fläche kann zwischen 4,7 und 14 Quadratmeter variieren. Auf die Abform wird eine Mylarschicht gelegt. Dann fährt der Roboter darüber und verlegt die Fasern nach dem berechneten Belastungsmuster. Beliebige Materialien sind dabei kombinierbar, und indem man die Faserdichte kontinuierlich auf der gesamten Segelfläche variiert, hat das Segel später an jedem Punkt aus- reichende Zugfestigkeit bei minimalem Gewicht.

Die Fasern sind mit einem Klebstoff beschichtet, so daß sie sich nicht verschieben können. Es folgen zwei weitere Lagen Mylar, dann zieht der Roboter ein Sauggerät zwischen den Schichten über die gesamte Fläche, so daß sie der Luftdruck zusammendrückt. Hitze aktiviert anschließend ein Bindemittel, mit dem die Innenflächen der ersten und zweiten Schicht versehen sind. Die dritte Mylar-Lage wird nur benötigt, um das Laminat zu versiegeln, anschließend wird sie weggeworfen. Die ersten beiden Schichten bilden die Segelaußenflächen.

Nachdem das Zusammennähen von Gewebebahnen nun vermeidbar geworden ist, sucht das Unternehmen auch das Aufnähen von Verstärkungsflicken an den Angriffspunkten der Seile (vor allem an den Segelecken) zu erübrigen. Außerdem versucht man beispielsweise durch neue Schichten, 3DL-Segel insbesondere gegen ultraviolette Strahlung haltbarer zu machen.

Schließlich zeichnen sich auch sozusagen artfremde Anwendungen der 3DL-Fertigungstechnik ab. Während einer Konferenz des American Institute of Aeronautics and Astronautics im Januar 1996 lernte ich einige Ingenieure der Luft- und Raumfahrtbehörde NASA kennen, die Heliumballons für Messungen in Höhen bis zu 45 Kilometern konstruierten. In Zukunft sollen die Missionen manchmal 100 Tage dauern. Möglicherweise läßt sich unser Verfahren für bessere Ballonhüllen nutzen. Eine weitere Gruppe im Auftrag der NASA erwägt damit nahtlose Fallschirme zu fertigen, die ihrer Schätzung nach nur noch ein Drittel des Gewichts eines modernen Nylonschirms hätten. Andere Wissenschaftler haben die Möglichkeit in Erwägung gezogen, 3DL für selbst-entfaltende Weltraumantennen zu verwenden.

Doch unser Hauptinteresse gilt dem Segelsport. Nicht nur verlangt der Markt nach kostengünstigeren Rennsegeln für eine große Auswahl von Booten. Mischungen von zwei oder mehr verschiedenen Faserarten könnten die Kosten laminierter Segel sogar soweit senken, daß sie endlich auch für den Hobbysegler interessant wären.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1998, Seite 91
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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