چگونه روتورهای فلتنر با استفاده از اثر مگنوس، انتشار گازهای گلخانه‌ای در کشتیرانی تجاری را کاهش می‌دهند

ناوگان کشتیرانی تجاری جهان با یک بن‌بست ریاضی روبه‌رو است: سازمان بین‌المللی دریانوردی (IMO) کاهش ۴۰ درصدی شدت کربن را تا سال ۲۰۳۰ الزامی کرده است و کاهش دور موتورهای دیزلی تنها می‌تواند بخش کوچکی از این شکاف را پر کند.

برای اینکه این صنعت بتواند حجم فعلی بار را حفظ کرده و در عین حال سوخت کمتری بسوزاند، کشتی‌ها به یک منبع پیشران کمکی نیاز دارند که متکی به احتراق نباشد. این محدودیت، مهندسان معماری دریایی را وادار کرده تا به بازبینی یک مکانیزم آیرودینامیک صدساله به نام روتور فلتنر بپردازند؛ سیستمی که از اثر مگنوس برای تبدیل بادهای جانبی به نیروی پیشران استفاده می‌کند.[1][2]

روتور فلتنر به معنای سنتی کلمه یک بادبان نیست، بلکه یک استوانه عمودی با نیروی محرکه الکتریکی است که روی عرشه کشتی نصب می‌شود. با چرخش این استوانه، لایه مرزی هوا نیز به همراه آن کشیده می‌شود. هنگامی که یک باد جانبی به این ستون در حال چرخش برخورد می‌کند، هوایی که در جهت چرخش حرکت می‌کند شتاب می‌گیرد، در حالی که هوای سمت مخالف کند می‌شود.[4]

این اختلاف سرعت، بر اساس اصل برنولی، باعث افت فشار موضعی در یک سمت استوانه و ایجاد منطقه پرفشار در سمت دیگر می‌شود. اختلاف فشار حاصل، یک نیروی برآر (Lift) آیرودینامیک عظیم عمود بر جهت باد تولید می‌کند. در یک کشتی، این نیرو شناور را به جلو می‌راند و به اتاق فرمان اجازه می‌دهد تا ضمن حفظ سرعت ثابت، قدرت موتور اصلی را کاهش دهد.[1][4]

فیزیک این پدیده دقیقاً مشابه همان اثر مگنوس است که باعث شیرجه رفتن توپ تنیسِ دارای چرخش فوقانی یا کات‌دار شدن توپ فوتبال در هوا می‌شود. با این حال، مقیاس در اینجا بسیار متفاوت است. بادبان‌های روتوری مدرن، مانند نمونه‌های تولیدی شرکت فنلاندی Norsepower، می‌توانند تا ۳۰ متر ارتفاع و ۵ متر قطر داشته باشند و از مواد کامپوزیت سبک‌وزن ساخته می‌شوند.[1][3]

این مفهوم جدید نیست. آنتون فلتنر، مهندس آلمانی، برای نخستین بار در سال ۱۹۲۴ با نصب دو استوانه چرخان بزرگ روی یک کشتی بادبانی به نام Buckau، این فناوری را به نمایش گذاشت. این شناور در سال ۱۹۲۶ با موفقیت از اقیانوس اطلس عبور کرد و کارایی آیرودینامیک این طراحی را به اثبات رساند. با این وجود، فراوانی سوخت ارزان‌قیمت دیزل در قرن بیستم، هزینه سرمایه‌ای روتورها را از نظر اقتصادی غیرقابل توجیه کرد و این فناوری تا حد زیادی کنار گذاشته شد.[1][3][4]

امروزه، معادلات اقتصادی وارونه شده است. با نزدیک شدن به زمان اعمال مالیات‌های کربنی و اجرای سخت‌گیرانه شاخص‌های بهره‌وری انرژی کشتی‌های موجود (EEXI) و شدت کربن (CII) توسط IMO، مالکان کشتی‌ها به طور فعال در حال استقرار این فناوری هستند. هزینه‌های نصب بسته به ابعاد واحد، بین ۴۰۰ هزار تا یک میلیون دلار برای هر روتور متغیر است، اما صرفه‌جویی در مصرف سوخت، محاسبات بازگشت سرمایه را تغییر می‌دهد.[2]

داده‌های عملیاتی در دنیای واقعی، مدل‌های نظری را تایید می‌کنند. یک آزمایش یک‌ساله که بین سپتامبر ۲۰۱۸ تا سپتامبر ۲۰۱۹ روی Maersk Pelican (یک نفتکش حامل فرآورده‌های کلاس Long Range 2 مجهز به دو روتور ۳۰ متری Norsepower) انجام شد، کاهش ۸.۲ درصدی در مصرف کل سوخت را به همراه داشت.

این درصد به معنای کاهش مطلق ۱۴۰۰ تن دی‌اکسید کربن در طول این دوره ۱۲ ماهه بود. تامی توماسن، مدیر ارشد فنی در Maersk Tankers می‌گوید: «در طول دوره آزمایشی یک‌ساله روی Maersk Pelican، خدمه و اپراتورها گزارش‌های مثبتی از قابلیت استفاده، ایمنی و عملکرد بادبان‌های روتوری در تمامی شرایط ارائه داده‌اند.»

شناورهای کوچک‌تری که در کریدورهای بادی بهینه فعالیت می‌کنند، بازده نسبی حتی بالاتری را گزارش می‌دهند. پروژه Flettner Fleet صرفه‌جویی ۱۵ تا ۲۰ درصدی در سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای را روی Fehn Pollux، یک کشتی باری ساحلی، بسته به منطقه خاص کشتیرانی ثبت کرد. در سطح صنعت، داده‌های عملکردی تاییدشده از ۲۵۰ هزار ساعت کارکرد نشان می‌دهد که بادبان‌های روتوری معمولاً مصرف سوخت را بین ۵ تا ۲۵ درصد کاهش می‌دهند.

اثربخشی این فناوری به شدت به انتخاب مسیر بستگی دارد. از آنجا که اثر مگنوس برای تولید نیروی پیشران به باد جانبی نیاز دارد، کشتی‌ای که مستقیماً در جهت باد مخالف یا باد موافق خالص حرکت می‌کند، هیچ سود پیشرانه‌ای از روتورها نمی‌برد. در این شرایط، استوانه‌ها به سادگی خاموش می‌شوند تا مقاومت آیرودینامیک و مصرف برق به حداقل برسد.[1][2]

برای به حداکثر رساندن بازگشت سرمایه، اپراتورها در حال ترکیب سخت‌افزار فیزیکی با سیستم‌های دیجیتال مسیریابی آب‌وهوایی هستند. یک مطالعه شبیه‌سازی مشترک در سال ۲۰۲۳ که توسط Norsepower، شرکت نرم‌افزار دریایی NAPA و صنایع سنگین سومیتومو انجام شد، ۳۸۴ سفر را در شش مسیر تجاری اصلی مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. این تحقیق نشان داد که حفظ دور موتور ثابت به همراه استفاده از بادبان‌های روتوری، مصرف سوخت را تا ۹ درصد کاهش می‌دهد.

هنگامی که این شبیه‌سازی با نرم‌افزار بهینه‌سازی سفر NAPA ادغام شد تا به طور فعال به دنبال کریدورهای بادی مساعد بگردد، سیستم‌های ترکیبی به میانگین کاهش ۱۹ درصدی دی‌اکسید کربن دست یافتند. در مسیرهای خاص با باد شدید، مانند گذرگاه اقیانوس اطلس شمالی از نیویورک به آمستردام، فناوری‌های ترکیبی کاهش ۲۸ درصدی در انتشار آلاینده‌ها را مدل‌سازی کردند.

ادغام ستون‌های چرخان عظیم روی عرشه یک کشتی تجاری، پیچیدگی‌های ساختاری و عملیاتی خاص خود را به همراه دارد. گروه مشاوره مهندسی BMT خاطرنشان می‌کند: «نیروهای جانبی وارد بر کشتی زمانی که زاویه ظاهری باد تقریباً مستقیماً از جلو یا عقب باشد، می‌تواند قابل‌توجه شود.» این نیروی جانبی، در ترکیب با بازوی اهرم عمودی یک استوانه ۳۰ متری، گشتاور کج‌کننده‌ای ایجاد می‌کند که باعث می‌شود کشتی اندکی به یک سمت متمایل شود.[1]

با این حال، تحلیل BMT به این نتیجه رسید که این تمایل استاتیک تاثیر ناچیزی بر عملکرد کلی دارد، زیرا «از هیچ زاویه چرخشی که معمولاً کشتی تجربه می‌کند، فراتر نمی‌رود.» محدودیت‌های عملیاتی اصلی شامل فضای خالی بالای سر (روتورها می‌توانند توانایی کشتی برای عبور از زیر پل‌های خاص یا بارگیری در جرثقیل‌های بندری مشخص را محدود کنند) و فضای مورد نیاز روی عرشه برای نصب است.[1][3]

برای ناوگان جهانی موجود که تا حد زیادی به نفت کوره سنگین متکی است، بادبان‌های روتوری یکی از معدود مسیرهای فوری برای انطباق با مقررات را ارائه می‌دهند. شناورهایی که نتوانند استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر شدت کربن IMO را برآورده کنند، با محدودیت‌های اجباری قدرت موتور مواجه می‌شوند که آن‌ها را مجبور می‌کند با سرعت‌های پایین‌تر حرکت کرده و رقابت‌پذیری تجاری خود را کاهش دهند.[2]

بادبان‌های روتوری با جایگزینی مستقیم بخشی از توان خروجی مورد نیاز موتور اصلی، نمره بهره‌وری پایه کشتی را بدون نیاز به گذار به سوخت‌های جایگزین کمیاب مانند متانول سبز یا آمونیاک بهبود می‌بخشند. در شرایطی که بخش دریایی به ضرب‌الاجل انتشار آلاینده‌های خود در سال ۲۰۳۰ نزدیک می‌شود، توانایی مهار مستقیم نیروی پیشران از اتمسفر، یک حائل حیاتی برای صنعتی فراهم می‌کند که نمی‌تواند به سادگی از حرکت بازایستد.[3]