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Rimanere stabili in acque gelide

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Con lo scioglimento dei ghiacci marini e le navi che si avventurano più in profondità nelle regioni polari, sono necessari rapidi progressi nelle tecnologie di stabilizzazione

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Quando il National Geographic's Endurance si avventura nelle acque artiche russe più a fondo di qualsiasi altra nave da crociera nel suo primo viaggio nel 2020, la nave sarà dotata di una tecnologia da ghiaccio, compresa una serie completa di stabilizzatori che, combinati con l'X-Bow di Ulstein, inibiscono l'imbardata e il rollio.

La nave diventerà solo una delle due navi da crociera di fascia alta per affrontare la rotta, ma ne seguiranno sicuramente di più.

Con lo scioglimento del ghiaccio, la graduale apertura della Northern Sea Route (NSR) sta stimolando la domanda di tecnologia robusta in grado di resistere alle temperature estreme, agli inevitabili incontri con il ghiaccio e alla lenta evaporazione.

Navi metaniere, navi portacontainer, navi da carico generale e navi da crociera stanno intraprendendo viaggi in queste e in acque simili che sono state a lungo considerate fuori dai limiti per qualsiasi cosa, ma non navi navali appositamente attrezzate; la maggior parte di loro sottomarini fantasma sotto il ghiaccio pack.

Tra gli altri passaggi, il gigante cinese della navigazione Cosco ha completato cinque transiti della NSR, secondo uno studio della metà del 2019 di Ecory per conto dell'International Transport Forum dell'OCSE. La prima nave Cosco a provare la rotta, Tian En, ha trasportato un carico di turbine eoliche in un viaggio a volte impegnativo alla fine del 2018. "Dopo tutte le zone di ghiaccio e le tempeste, ce l'abbiamo fatta", ha detto il comandante della nave Chen Xiangwu ai giornalisti. La rotta artica ha tagliato circa un terzo della rotta di Suez e risparmiato 300 tonnellate di carburante.

Pochi giorni dopo, la nave portacontainer Venta Maersk, uno dei nuovi alimentatori baltici della Maersk Line, fece scalo nel porto di San Pietroburgo dopo aver completato un passaggio di prova da Vladivostok a Bremerhaven. I rompighiaccio hanno dovuto essere chiamati per far passare la nave, una delle più grandi navi della classe dei ghiacci, attraverso il Mar Siberiano orientale.

L'attrazione dell'NSR per le navi da carico è che riduce i tempi di viaggio di circa il 40% rispetto alla rotta meridionale, che porta le navi attraverso il Canale di Suez. Come stimato dallo studio dell'OCSE, un viaggio da Amburgo a Yokohama attraverso il Canale di Suez, viaggiando ad una velocità media di 15 nodi per le 11.585 miglia nautiche, richiede 32 giorni. Rispetto ai 14 giorni per le 7.356 miglia nautiche dell'NSR ad una velocità media di 14 nodi.

La matematica sembra ovvia. Eppure l'NSR ha i suoi costi. In questo ambiente altamente sensibile, dove l'assorbimento delle sostanze inquinanti richiede tempi di assorbimento molto più lunghi, sono necessari combustibili specializzati, riducendo l'apparente risparmio nelle spese di gestione. Le tariffe assicurative e gli altri costi possono essere tre volte superiori a quelli che si ottengono con una maggiore durata. E, sottolinea lo studio, "l'investimento iniziale in navi della classe "ghiaccio" è superiore del 20-30% rispetto a una nave di riferimento"

Il percorso non può essere utilizzato tutto l'anno. Come spiega lo studio: "Le variazioni annuali del ghiaccio marino sono relativamente imprevedibili. Massicci di ghiaccio [effettivamente montagne] potrebbero bloccare alcune rotte. E condizioni atmosferiche estreme come nebbia e temperature estremamente basse [sono probabili]" Inoltre, il pescaggio varia notevolmente in alcune zone come Dmitry Laptev, dove può scendere fino a 6,7 m, rendendolo inadatto per le imbarcazioni più grandi.

Dati i vincoli, nessuno prevede che l'NSR potrà competere con il Canale di Suez in qualsiasi momento prima della metà del secolo, se non addirittura prima della metà del secolo. Ma a meno che il ghiaccio degli ultimi secoli non ritorni, il passaggio diventerà sicuramente più affollato, aumentando la domanda di stabilizzatori e altre attrezzature per la classe di ghiaccio. "Ci aspettiamo un numero crescente di transiti e viaggi marittimi locali nell'area NSR, con navi relativamente piccole destinate a mercati di nicchia", dice lo studio.

Ma le vie ghiacciate come l'NSR continueranno a suscitare interesse per i viaggi di spedizione. Quando Ocean Victory, l'ultima nave della Sunstone Ships di classe Infinity, sarà consegnata nel marzo 2021 dal costruttore China Merchant Heavy Industries, una delle sue tecnologie più importanti sarà l'ultima versione degli stabilizzatori a velocità zero della Rolls-Royce. Progettati per operare in condizioni di classe 1A, gli stabilizzatori si stanno dimostrando su un'ampia gamma di imbarcazioni operanti nell'Artico e in Antartide, come la Sea Spirit della Poseidon Exhibition, che a metà del 2019 è stata retrofitted con versioni a velocità zero per crociere in Groenlandia e Mare di Barents.

Gli stabilizzatori sono obbligatori per i periodi in cui un'imbarcazione è rallentata, ormeggiata o ancorata nelle condizioni paesaggistiche per le quali gli ospiti pagano, così come per motivi ambientali. A bassa velocità o a velocità zero, il consumo di carburante e le emissioni sono drasticamente ridotti, ma la ragione principale è lo scopo per cui la tecnologia è stata originariamente concepita, vale a dire la stabilità.

Fare il tuffo

Per questo motivo, all'inizio del 2019 la Royal Australian Navy si è tuffata su un innovativo stabilizzatore Quantum per le sue nuove navi pattuglia offshore in costruzione da parte di Luerssen. Le navi pattuglia devono operare a bassa velocità e a velocità zero, ad esempio quando si affiancano.

Dalla sua fondazione nel 1985, la Fort Lauderdale-based Quantum ha adottato un approccio di sinistra alla funzione stabilizzatrice. Qualche anno fa, gli ingegneri marini di Quantum, gli architetti navali e la sua tecnologia idraulica sono stati messi al lavoro su un sistema di controllo del movimento che funzionava a basse velocità: in effetti, uno stabilizzatore per l'aggirarsi e l'arresto a vuoto. Il risultato è stato MAGLift; non la tradizionale aletta, ma uno stabilizzatore del rotore che oscilla e fa ruotare i cilindri nella direzione desiderata.

Un successo nel mercato degli yacht militari, commerciali e privati, MAGLift è stato installato anche sulla Venture di 72 metri del National Geographic e su altre imbarcazioni di dimensioni simili. La configurazione generale era per una serie di alette in avanti con i rotori montati a poppa. "Questo fornisce una stabilità superba per requisiti a velocità zero, lenta e superiore", ha dichiarato Katie Ross, responsabile dello sviluppo aziendale.

Per condizioni da ghiaccio, MAGLift può essere retratto o insaccato. I rotori sono posizionati strategicamente anche sotto il nastro di ghiaccio.

L'ultimo sviluppo di Quantum, Dyna-Foil, è un design a doppio scopo basato su una forma a foglio che si afferma di funzionare altrettanto bene a velocità zero e in corso d'opera. Completamente retrattile come MAGLift, Dyna-Foil è stato sviluppato pensando alle condizioni estreme del ghiaccio. Come spiega l'azienda, queste sono condizioni in cui "lo stabilizzatore è necessario ma deve essere completamente riposto per evitare potenziali danni da contatto con il ghiaccio" Così, per le navi da ghiaccio o quelle con un elevato coefficiente di blocco, dove non sarebbero adatte le appendici esterne, il sistema viene fornito con una versione "fully pocketted".

Dyna-Foil crea le proprie forze attraverso l'azione oscillante dell'unità. "Questa azione crea un flusso d'acqua sulla superficie del foglio di alluminio, generando così un sollevamento", spiega l'azienda. "La direzione dell'oscillazione determina la direzione della forza di sollevamento generata. Sia l'angolo di attacco che la velocità di rotazione sono variabili controllate che vengono regolate per fornire la stabilizzazione ottimale"

Molte ricerche sono state condotte sul profilo della pellicola stessa. E' stato sagomato per fornire la massima portanza ad angoli di attacco bassi, il che ha l'effetto di ridurre la resistenza aerodinamica. Il posizionamento della lamina per contrastare il movimento di rollio della nave è quasi istantaneo. Quando l'imbarcazione è in navigazione, la lamina è inclinata di 90 gradi rispetto alla linea centrale dello scafo.

Quantum sostiene che il sistema è superiore alla tecnologia tradizionale delle pinne (anche se questa è stata molto perfezionata negli ultimi anni): "Il momento stabilizzatore generato dalla Dyna-Foil è fino al 150% maggiore di quelli [generati] da una pinna fissa standard a velocità zero della stessa dimensione" Il cuore del sistema è l'unità controllata dall'algoritmo della Serie 5000 che, dice Quantum, sarà infine incorporata in tutti i progetti. Per il suo Dyna-Foil, Quantum ha sviluppato un'unità idraulica compatta costruita attorno agli accumulatori di energia immagazzinata e al controllo variabile del motore; un sistema che impone una minore domanda sull'approvvigionamento energetico complessivo dell'imbarcazione.

Attenzione agli attivatori

Nel frattempo, il sistema di attivazione degli stabilizzatori - effettivamente il motore - sta ricevendo molta attenzione. Per i suoi stabilizzatori retrattili Aquarius 100, Rolls-Royce potrebbe orientarsi verso motori elettrici piuttosto che verso unità idrauliche. Come responsabile delle vendite della Rolls-Royce Dunfermline, Paul Crawford ha detto a Marine Propulsion all'inizio di quest'anno: "C'è meno manutenzione e meno attrezzature. Vedo che in futuro questo verrà usato soprattutto all'interno dei traghetti, visto che molti stanno diventando elettrici"

Sebbene non sia un traghetto, classe ghiaccio, il rimorchiatore olandese da 110 tug Astra è stato equipaggiato con un sistema MagnusMaster a propulsione elettrica basato su cilindri a rotazione rapida. (Il nome deriva dall'Effetto Magnus indagato per la prima volta dal fisico tedesco Heinrich Magnus.) Adatto per imbarcazioni fino a 30 metri di lunghezza, MagnusMaster è stato installato su una vasta gamma di navi, compresi i pescherecci da traino. Utile per le navi da lavoro, quando il motore è messo in folle, i rotori si ritraggono immediatamente.

Secondo MagnusMaster: "Il maggior vantaggio di un sistema a rotore rispetto ad un sistema convenzionale alettato è la maggiore capacità di smorzamento dei rulli a velocità inferiori"

Nel prossimo futuro, i produttori di stabilizzatori potrebbero iniziare a prenotare ordini da marine internazionali a causa dell'aumento dell'attività militare nelle regioni polari, in particolare nell'Artico. Dopo una lunga assenza delle forze NATO, c'è pressione per riprendere le pattuglie in risposta alla crescente presenza della marina russa.

E mentre l'Occidente risponde alla minaccia russa, con più operazioni navali che probabilmente si svolgeranno nell'Atlantico del Nord, le implicazioni per le tecnologie di ghiaccio come gli stabilizzatori sembrano promettenti.

- Lo stabilizzatore che non si bagna

A differenza di molti altri sistemi, Perth, lo stabilizzatore giroscopico marino Veem con sede in Australia è imbullonato all'interno dello scafo, non all'esterno. In mancanza di appendici, lo stabilizzatore giroscopico non viene a contatto con l'acqua (tranne che è raffreddato dall'acqua di mare). Eppure "il movimento di rotolamento può essere praticamente eliminato a tutte le velocità, zero compreso", dice al product manager di Veem Paul Steinmann.

Lo stabilizzatore giroscopico non è progettato per navi da crociera, ma per navi più piccole e più agili tra le 65 e le 3.000 tonnellate o più, come rimorchiatori, pescherecci sportivi, motovedette e navi di supporto offshore. La tecnologia è considerata particolarmente adatta a situazioni di lavoro a piedi. E, aggiunge Veem, l'efficienza della tecnologia è tale da aprire una serie di rubriche perché significa che la nave può gestire meglio i mari di squartamento.

I principi di funzionamento si basano su un volano rotante. Quando l'imbarcazione rotola, aziona il volano per ruotare nell'asse del movimento dell'imbarcazione. Il risultato è noto come "movimento di precessione" (non di precisione) che, combinato con il volano rotante, crea quella che viene definita "coppia di stabilizzazione". In breve, la nave smette di saltare.

Inoltre, a differenza degli stabilizzatori standard montati sullo scafo, gli stabilizzatori giroscopici possono essere installati praticamente ovunque: al di fuori della linea di chiglia, in alto o in basso, a prua o a poppa, a seconda dell'assetto della nave. Il sistema funziona anche in combinazione con altri stabilizzatori, come i serbatoi di scarico e le pinne.

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