Rumpf, Deck und Aufbauten kommen längst aus der Form, der Propeller nicht: Er wird bis heute aus Nickel-Aluminium-Bronze oder Mangan-Aluminium-Bronze gegossen, weil er unter hohen Wechsellasten läuft und die Druckschläge der Kavitation aushalten muss. Das Konsortium des EU-Projekts CoPropel (2022 bis 2025, Bauteilentwicklung bei Loiretech, Klassifikation durch Bureau Veritas) nennt als Folgen ein schweres Bauteil, Preise im sechsstelligen Eurobereich und Lieferzeiten, die im Schadensfall ein Schiff stilllegen. Faserverbund macht dagegen die Nachgiebigkeit des Blattes zum Konstruktionsmittel.
Was am fahrenden Schiff bisher gemessen wurde
Belastbare Betriebszahlen stammen aus wenigen Einzelfällen. Die Bestandsaufnahme des CoPropel-Konsortiums von 2024 listet sieben Entwicklungen aus den Jahren 2006 bis 2018 – ohne Konsens über den richtigen Weg.
| Projekt (Jahr) | Propeller | Bauweise | Ergebnis |
|---|---|---|---|
| Contur (2006) | 610 mm, 6 Blätter | Kohlenstofffaser, geschlossenes Werkzeug | Wirkungsgrad 3 bis 5 Prozent besser, Kavitation sichtbar zurückgegangen |
| Yamatogi u. a. (2011) | 680 mm, 3 Blätter | Kohlenstofffaser/Epoxid, Prepreg | Blatt 2,5- bis 4-mal nachgiebiger als Bronze; keine Fahrversuche |
| Nakashima/ClassNK (2014) | 2.120 mm, 4 Blätter | Kohlenstofffaser/Harz, Infusion | Wellenleistung bei gleicher Fahrt 9 Prozent niedriger, weniger Vibration |
| Fab-Heli (2018) | 1.050 mm, 5 Blätter | Kohlenstofffaser/Epoxid, RTM | Fahrversuch am 30-m-Fahrgastschiff bestanden |
Am besten dokumentiert ist der japanische Chemikalientanker Taiko Maru mit 499 BRZ: Nakashima Propeller ersetzte dort gemeinsam mit ClassNK das Bronzerad von 1,95 m Durchmesser durch ein CFK-Rad von 2,12 m – der größere Durchmesser wurde erst durch das geringere Gewicht möglich. Das CFK-Rad wog nach Angaben der Beteiligten rund 60 Prozent weniger als ein Bronzerad; im Fahrversuch sank die Wellenleistung bei gleicher Reisegeschwindigkeit um 9 Prozent.
Die Steigung wird zur veränderlichen Größe
Ein Bronzeblatt ist geometrisch starr und damit auf einen Betriebspunkt optimiert, meist den Reisedrehzahlbereich. Ein Laminat lässt sich über die Faserwinkel dagegen so aufbauen, dass sich das Blatt unter Last in eine festgelegte Richtung verwindet: Die örtliche Steigung wandert mit, statt beim Guss festgeschrieben zu werden. Das Konsortium nennt das hydroelastische Verformung und will das Blatt so über einen breiteren Drehzahlbereich nahe seiner günstigsten Form halten. Die Faserrichtung als Entwurfsgröße behandelt Fiber Steering; ein anderes angeströmtes Composite-Bauteil am Schiff ist das Hydrofoil.
Kavitation und Unterwasserlärm sind die eigentlichen Zielgrößen
Kavitation entsteht, wenn der Druck auf der Saugseite eines Blattes so weit fällt, dass Wasser verdampft; die Blasen implodieren beim nächsten Druckanstieg, und ihr Zerfall ist die lauteste Einzelquelle am fahrenden Schiff. Die überarbeiteten IMO-Leitlinien zum Unterwasserlärm (MEPC.1/Circ.906/Rev.1, gelten seit 1. Dezember 2024) halten fest, dass bei üblichen Betriebsgeschwindigkeiten der größte Teil des abgestrahlten Lärms auf Propellerkavitation zurückgeht. Sie sind freiwillig; als verbindlichen Rahmen nennt das Konsortium die EU-Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie 2008/56/EG.
Die Leitlinien listen als Stellschrauben auf: Durchmesser, Blattzahl, Blattfläche, Steigung, Skew, Rake und Profilschnitte – durchweg geometrische Größen, am Metallpropeller ein einziges Mal festgelegt. Sie räumen selbst ein, dass manche kavitationsmindernden Entwurfsprinzipien Wirkungsgrad kosten. Genau dort setzt das nachgiebige Blatt an: Es soll die Unterdruckspitzen an den Blattkanten senken, an denen Kavitation zuerst einsetzt. Hinzu kommt die Werkstoffdämpfung – nach Angaben der am Vorläuferprojekt Fab-Heli Beteiligten mindestens viermal so hoch wie bei Nickel-Aluminium-Bronze.
Wie jung das Feld physikalisch ist, zeigt die deutsche Forschungslage: An der HAW Kiel verknüpft das Projekt MinKav seit Januar 2026 Kavitationstunnelversuche und Strömungssimulationen, um den Blasenzerfall gezielt beeinflussen zu können – ohne Einbußen beim Wirkungsgrad. Die Wirtschaftsförderung und Technologietransfer Schleswig-Holstein (WTSH) fördert es bis Ende 2028 mit knapp 390.000 Euro.
Ein Blatt, das ohne Nacharbeit aus dem Werkzeug kommt
Für das Blatt fiel die Wahl auf eine trockene Kohlenstofffaser-Preform, die im geschlossenen Werkzeug getränkt wird (RTM): Vorimprägniertes Halbzeug drapiert auf der stark verwundenen Blattfläche schlecht (Prepreg), eine trockene Preform folgt der Form besser. Zwei Größen müssen gleichzeitig stimmen: der Faserwinkel, an dem die Verformungsauslegung hängt, und die hydrodynamische Oberfläche. Das Blatt entsteht deshalb endkonturnah. Für das Werkzeug folgt daraus:
- Ein Laser projiziert beim Ablegen der trockenen Lagen die Kontur, damit der Faserwinkel Lage für Lage sitzt.
- Über einen Kern im Blattinneren werden die Lagen drapiert; das erleichtert die Tränkung des dicksten Bereichs, des Blattfußes, und macht das Blatt dort zum Sandwich (Kernmaterialien).
- Lichtwellenleiter und Dehnungsmessstreifen werden mit einlaminiert; das Werkzeug muss diese Integration zulassen.
- Der Härtungsfortschritt soll per Ultraschall durch die Werkzeugwand verfolgt werden – auf der Formfläche darf nichts sitzen; validiert ist das Verfahren bislang an einem Dummy-Werkzeug aus Aluminium.
- Zwei Angusspunkte statt eines und Unterdruck an den Austritten verkürzten die berechnete Füllzeit von 122,5 auf 82,3 Sekunden.
Konstruktiv sitzt jedes Blatt einzeln auf einer Metallnabe: Ein beschädigtes Blatt soll getauscht werden können – nach Projektauslegung sogar unter Wasser –, statt das ganze Rad zu ziehen. Der Preis ist die Blatt-Naben-Verbindung, die die Klassifikation ausdrücklich nicht rein rechnerisch abnimmt.
Die Zulassungshürde: drei Regelwerke weltweit
Ein Propeller ist ein rotierendes Sicherheitsbauteil im Antriebsstrang. Regelwerke dafür gibt es kaum: Nach der Bestandsaufnahme von Bureau Veritas hatten Stand 2024 genau drei Klassifikationsgesellschaften etwas veröffentlicht – ClassNK im August 2015 (nur Fertigung und Produktprüfung, ausdrücklich ohne Auslegungsnachweis), der Korean Register im April 2019 (Fertigung und Prüfung) und Bureau Veritas im Oktober 2020 mit der Guidance Note NI663 „Propeller in Composite Materials“, die als einzige den ganzen Weg abdeckt. Ihr Schema hat vier Stufen.
| Stufe | Was verlangt wird |
|---|---|
| Rohstoff-Zulassung | Harz, Verstärkung, Kernmaterial und Klebstoff durchlaufen Typzulassung und Werksanerkennung; nicht typzugelassene Werkstoffe belegt der Lieferant. |
| Auslegungsnachweis | Kragbalkenverfahren für den Vorentwurf – Spannungen nur bei 25 Prozent des Propellerradius – und ein numerisches Verfahren aus Strömungsrechnung plus FEM, das die Endabnahme verlangt. Bewertet wird Lage für Lage gegen Sicherheitsbeiwerte. |
| Versuche | Coupons auf Dichte, Faseranteil, Zug, Biegung, interlaminare Scherung und Wasserlagerung. Ein Prototypblatt unter dem 1,25-Fachen von Biegemoment und Querkraft aus maximalem Schub und Drehmoment, gemessen bei 0,25 und 0,6 des Blattradius. Jedes Serienblatt einzeln nach Maß, Gewicht, Schwerpunkt und Steifigkeit. Dazu der Fahrversuch: Programm vorab einreichen, Manöver abdecken – Drehkreis, Notstopp, voraus und achteraus. |
| Besichtigung und Zertifizierung | Abnahme und Ausstellung der Zeugnisse; im Betrieb Sichtprüfung der Beschichtung an Eintrittskante, Austrittskante und Blattanbindung. |
Jung sind auch die Rechenwege, wie derselbe Bericht zeigt: Zwei Kopplungsverfahren für die Fluid-Struktur-Wechselwirkung stimmten bei Schub und Drehmoment nach dem Fazit des Berichts auf höchstens 5 Prozent überein, bei der berechneten größten Blattverformung dagegen nur auf rund 15 Prozent – ausgerechnet die Größe, die den ganzen Nutzen trägt. Deshalb steht der Versuch am realen Blatt im Regelwerk so weit vorn.
Der ungelöste Rest ist die Kante. Eintritts- und Austrittskante eines Laminatblattes sind stoßempfindlich; im Lagenaufbau des CoPropel-Blattes liegt deshalb eine Gewebelage als Schutzhülle um die Blattkante, und schon im Vorläuferprojekt Fab-Heli wurde der Kantenschutz aus Kohlenstofffaser im RTM-Werkzeug mit abgelegt. Wie die Kanten dem Dauerangriff der Kavitation standhalten, gehört dagegen zu den Fragen, die das Konsortium offenlässt – zum verwandten Problem an angeströmten Vorderkanten siehe Erosionsschutz für Vorderkanten. Zur Auswertung der eingebetteten Sensorik siehe Structural Health Monitoring, zum Bauteilspektrum des Bootsbaus GFK im Bootsbau.