Eisbrecher
Ein Eisbrecher ist ein Spezialschiff oder -boot, das dafür ausgelegt ist, sich durch eisbedeckte Gewässer zu bewegen und zu navigieren und anderen Booten und Schiffen sichere Wasserwege zu bieten. Obwohl sich der Begriff normalerweise auf eisbrechende Schiffe bezieht, kann er sich auch auf kleinere Schiffe beziehen, wie z. B. die eisbrechenden Boote, die früher auf den Kanälen des Vereinigten Königreichs eingesetzt wurden. ⓘ
Damit ein Schiff als Eisbrecher bezeichnet werden kann, muss es drei Eigenschaften aufweisen, die den meisten normalen Schiffen fehlen: einen verstärkten Rumpf, eine eisgängige Form und die Fähigkeit, sich durch Meereis zu schieben. ⓘ
Eisbrecher machen den Weg frei, indem sie direkt in das zugefrorene Wasser oder Packeis stoßen. Die Biegefestigkeit von Meereis ist so gering, dass das Eis in der Regel ohne merkliche Veränderung des Schiffstrimms bricht. Bei sehr dickem Eis kann ein Eisbrecher mit seinem Bug auf das Eis fahren, um es unter dem Gewicht des Schiffes zu brechen. Eine Ansammlung von gebrochenem Eis vor dem Schiff kann dieses viel stärker verlangsamen als das Brechen des Eises selbst, daher haben Eisbrecher einen speziell konstruierten Rumpf, um das gebrochene Eis um oder unter das Schiff zu leiten. Die äußeren Komponenten des Schiffsantriebssystems (Propeller, Propellerwellen usw.) sind stärker gefährdet als der Schiffsrumpf. Daher ist die Fähigkeit eines Eisbrechers, auf das Eis zu fahren, es zu brechen und die Trümmer erfolgreich aus dem Weg zu räumen, entscheidend für seine Sicherheit. ⓘ
Ein Eisbrecher ist ein Schiff, das speziell dafür konstruiert und ausgerüstet ist, durch die zugefrorene See oder zugefrorene Flüsse zu fahren. Diese Fahrt kann für den Eisbrecher selbst mit seiner Ladung erfolgen, oder um anderen Schiffen eine Fahrrinne freizubrechen und schiffbar zu halten. ⓘ
Geschichte
Früheste Eisbrecher
Bevor es Hochseeschiffe gab, wurde die Technik des Eisbrechens auf Binnenkanälen und Flüssen von Arbeitern mit Äxten und Haken entwickelt. Das erste aufgezeichnete primitive Eisbrecherschiff war ein Lastkahn, der 1383 in der belgischen Stadt Brügge eingesetzt wurde, um den Stadtgraben zu reinigen. Die Bemühungen des Eisbrecherkahns waren so erfolgreich, dass die Stadt vier solcher Schiffe anschaffte. ⓘ
Eisbrechende Kähne wurden auch in den kalten Wintern der Kleinen Eiszeit eingesetzt, und zwar zunehmend in den Low Country, wo ein reger Handel und Transport von Menschen und Waren stattfand. Jahrhunderts war der Einsatz von Eisbrechern in Flandern (Oudenaarde, Kortrijk, Leper, Veurne, Diksmuide und Hulst) bereits weit verbreitet. Der Einsatz von Eisbrecherkähnen weitete sich im 17. Jahrhundert aus, als jede größere Stadt in den Niederlanden eine Art Eisbrecher einsetzte, um ihre Wasserwege frei zu halten. ⓘ
Vor dem 17. Jahrhundert sind die Spezifikationen der Eisbrecher unbekannt. Die Spezifikationen für Eisbrecher zeigen, dass sie von Pferdegespannen gezogen wurden und das schwere Gewicht des Schiffes auf das Eis drückte, um es zu brechen. Sie wurden in Verbindung mit Männergespannen mit Äxten und Sägen eingesetzt, und die Technologie dahinter änderte sich bis zur industriellen Revolution nicht wesentlich. ⓘ
Segelschiffe in den polaren Gewässern
In den Anfängen der Polarforschung wurden eisverstärkte Schiffe eingesetzt. Sie waren ursprünglich aus Holz und basierten auf bereits vorhandenen Konstruktionen, wurden aber verstärkt, insbesondere im Bereich der Wasserlinie durch eine doppelte Beplankung des Rumpfes und verstärkte Querträger im Inneren des Schiffes. Um die Außenseite wurden Eisenbänder gewickelt. Manchmal wurden am Bug, am Heck und entlang des Kiels Bleche angebracht. Diese Verstärkungen sollten dem Schiff helfen, sich durch das Eis zu schieben, und das Schiff auch schützen, falls es vom Eis "eingeklemmt" wurde. Dies geschieht, wenn Eisschollen um ein Schiff herum gegen das Schiff gedrückt werden und es wie in einem Schraubstock einklemmen und beschädigen. Diese schraubstockartige Wirkung wird durch die Kraft der Winde und Gezeiten auf die Eisschollen verursacht. ⓘ
Die ersten Boote, die in den polaren Gewässern eingesetzt wurden, waren die Boote der arktischen Ureinwohner. Ihre Kajaks sind kleine, von Menschenhand angetriebene Boote mit einem überdachten Deck und einem oder mehreren Cockpits, in denen jeweils ein Paddler Platz findet, der ein ein- oder zweischneidiges Paddel schwingt. Diese Boote können das Eis nicht brechen, sind aber leicht und gut geeignet, um über das Eis zu fahren. ⓘ
Im 9. und 10. Jahrhundert erreichte die Expansion der Wikinger den Nordatlantik und schließlich Grönland und Spitzbergen in der Arktis. Die Wikinger betrieben ihre Schiffe jedoch in den Gewässern, die während der meisten Zeit des Jahres eisfrei waren, unter den Bedingungen der mittelalterlichen Warmzeit. ⓘ
Im 11. Jahrhundert begann in Nordrussland die Besiedlung der Küsten des Weißen Meeres, das so genannt wurde, weil es über die Hälfte des Jahres eisbedeckt war. Die gemischte ethnische Gruppe der Karelier und Russen in Nordrussland, die an den Ufern des Eismeeres lebten, wurden als Pomoren ("Küstensiedler") bekannt. Allmählich entwickelten sie einen speziellen Typ kleiner ein- oder zweimastiger hölzerner Segelschiffe, die für Fahrten unter den Eisbedingungen der arktischen Meere und später auf den sibirischen Flüssen eingesetzt wurden. Diese frühesten Eisbrecher wurden kochi genannt. Der Rumpf des Kochi war durch einen Gürtel aus eisfester, bündiger Beplankung entlang der variablen Wasserlinie geschützt und besaß einen falschen Kiel für die Fortbewegung auf dem Eis. Wenn ein Koch von den Eisfeldern eingeklemmt wurde, konnte das Schiff dank seiner abgerundeten Rumpflinien unterhalb der Wasserlinie ohne Schaden aus dem Wasser und auf das Eis geschoben werden. ⓘ
Im 19. Jahrhundert wurden ähnliche Schutzmaßnahmen auf moderne dampfgetriebene Eisbrecher übertragen. Einige bemerkenswerte Segelschiffe am Ende des Segelzeitalters wiesen ebenfalls die eiförmige Form der Pomor-Schiffe auf, zum Beispiel die Fram, die von Fridtjof Nansen und anderen großen norwegischen Polarforschern benutzt wurde. Die Fram war das Holzschiff, das am weitesten nach Norden (85°57'N) und nach Süden (78°41'S) segelte, und eines der stärksten Holzschiffe, die je gebaut wurden. ⓘ
Dampfgetriebene Eisbrecher
Ein frühes Schiff, das für den Einsatz unter eisigen Bedingungen konzipiert war, war der 51 Meter lange hölzerne Schaufelraddampfer City Ice Boat No. 1, der 1837 von Vandusen & Birelyn für die Stadt Philadelphia gebaut wurde. Das Schiff wurde von zwei 250 PS (190 kW) starken Dampfmaschinen angetrieben, und seine hölzernen Paddel waren mit Eisenüberzügen verstärkt. ⓘ
Mit ihrer abgerundeten Form und dem stabilen Metallrumpf war die Russian Pilot von 1864 ein wichtiger Vorläufer der modernen Eisbrecher mit Propeller. Das Schiff wurde im Auftrag des Kaufmanns und Schiffbauers Mikhail Britnev gebaut. Der Bug des Schiffes wurde verändert, um eine Eisbrecherfähigkeit zu erreichen (20° Erhöhung von der Kiellinie). Dies ermöglichte es Pilot, sich auf die Spitze des Eises zu schieben und es so zu brechen. Britnev gestaltete den Bug seines Schiffes nach der Form alter Pomor-Boote, die seit Jahrhunderten die eisigen Gewässer des Weißen Meeres und der Barentssee befahren hatten. Pilot wurde zwischen 1864 und 1890 für die Schifffahrt im Finnischen Meerbusen zwischen Kronstadt und Oranienbaum eingesetzt und verlängerte so die Sommerschifffahrtssaison um mehrere Wochen. Angeregt durch den Erfolg von Pilot baute Michail Britnew 1875 ein zweites ähnliches Schiff, Boy (auf Russisch "Bruch"), und 1889 ein drittes, Booy (auf Russisch "Boje"). ⓘ
Der kalte Winter 1870-1871 ließ die Elbe und den Hamburger Hafen zufrieren, was zu einer längeren Unterbrechung der Schifffahrt und großen wirtschaftlichen Verlusten führte. Carl Ferdinand Steinhaus nutzte den geänderten Entwurf des Bugpiloten von Britnev, um seinen eigenen Eisbrecher, Eisbrecher I, zu bauen. ⓘ
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Der erste wirklich moderne hochseetaugliche Eisbrecher wurde um die Wende zum 20. Der Eisbrecher Yermak wurde 1897 im Auftrag der kaiserlich-russischen Marine auf der Armstrong Whitworth-Werft in England gebaut. Das Schiff übernahm die Hauptprinzipien von Pilot und wandte sie bei der Konstruktion des ersten polaren Eisbrechers an, der in der Lage war, über Packeis zu fahren und es zu zerquetschen. Das Schiff hatte eine Verdrängung von 5.000 Tonnen, und seine Dampfkraftmaschinen leisteten 10.000 PS (7.500 kW). Das Schiff wurde 1963 außer Dienst gestellt und 1964 abgewrackt, was es zu einem der dienstältesten Eisbrecher der Welt machte. ⓘ
In Kanada musste die Regierung eine Möglichkeit finden, Überschwemmungen aufgrund von Eisstau auf dem Sankt-Lorenz-Strom zu verhindern. Es wurden Eisbrecher gebaut, um den Fluss östlich von Montréal von Eisstau zu befreien. Etwa zur gleichen Zeit musste Kanada seinen Verpflichtungen in der kanadischen Arktis nachkommen. Große Dampfeisbrecher wie die 80 Meter langen CGS N.B. McLean (1930) und CGS D'Iberville (1952) wurden für diesen doppelten Zweck (Schutz vor Überschwemmungen des Sankt-Lorenz-Stroms und Wiederauffüllung der Arktis) gebaut. ⓘ
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen mehrere andere Länder, eigens gebaute Eisbrecher zu betreiben. Bei den meisten handelte es sich um Küsteneisbrecher, aber auch Kanada, Russland und später die Sowjetunion bauten mehrere hochseetaugliche Eisbrecher mit einer Verdrängung von bis zu 11.000 Tonnen. ⓘ
Dieselgetriebene Eisbrecher
Bevor in den 1930er Jahren die ersten dieselelektrischen Eisbrecher gebaut wurden, waren Eisbrecher entweder kohle- oder ölbefeuerte Dampfschiffe. Wegen ihrer Zuverlässigkeit, ihrer Robustheit, ihrer guten Drehmomentcharakteristik und ihrer Fähigkeit, die Drehrichtung schnell umzukehren, wurden für Eisbrecher Dampfmaschinen mit Hubkolbenantrieb bevorzugt. In der Dampfära hatten die leistungsstärksten dampfgetriebenen Vorkriegseisbrecher eine Antriebsleistung von etwa 10.000 Wellen-PS (7.500 kW). ⓘ
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Der erste dieselelektrische Eisbrecher der Welt war der schwedische 4.330-Tonnen-Eisbrecher Ymer aus dem Jahr 1933. Mit einer Leistung von 9.000 PS (6.700 kW), die sich auf zwei Propeller im Heck und einen Propeller im Bug verteilten, blieb sie bis zur Indienststellung der Oden im Jahr 1957 der stärkste schwedische Eisbrecher. Auf Ymer folgte 1939 die finnische Sisu, der erste dieselelektrische Eisbrecher in Finnland. Beide Schiffe wurden in den 1970er Jahren außer Dienst gestellt und in beiden Ländern durch wesentlich größere Eisbrecher ersetzt: die 1976 gebaute Sisu in Finnland und die 1977 gebaute Ymer in Schweden. ⓘ
Im Jahr 1941 begannen die Vereinigten Staaten mit dem Bau der Wind-Klasse. Forschungsarbeiten in Skandinavien und der Sowjetunion führten zu einem Entwurf mit einem sehr stark gebauten, kurzen und breiten Rumpf mit einem abgeschnittenen Vorderteil und einem abgerundeten Boden. Eine leistungsstarke dieselelektrische Maschine trieb zwei Heck- und einen Hilfsbugpropeller an. Diese Merkmale wurden bis in die 1980er Jahre zum Standard für Nachkriegseisbrecher. ⓘ
Die leistungsstärksten dieselelektrischen Eisbrecher sind seit Mitte der 1970er Jahre die ehemals sowjetischen und später russischen Eisbrecher Ermak, Admiral Makarov und Krasin, die über neun Zwölfzylinder-Dieselgeneratoren verfügen, die Strom für drei Antriebsmotoren mit einer Gesamtleistung von 26 500 kW (35 500 PS) erzeugen. In den 2020er Jahren werden sie von dem neuen kanadischen Polareisbrecher CCGS John G. Diefenbaker übertroffen, der eine kombinierte Antriebsleistung von 36.000 kW (48.000 PS) haben wird. ⓘ
Kanada
In Kanada begann man 1952 mit dem Bau dieselelektrischer Eisbrecher, zunächst mit der HMCS Labrador (die später der kanadischen Küstenwache übertragen wurde), die nach dem Muster der USCG-Wind-Klasse gebaut wurde, aber keinen Bugpropeller besaß. Der nächste Schritt in der kanadischen Entwicklung großer Eisbrecher erfolgte 1960 mit der Fertigstellung der CCGS John A. Macdonald in Lauzon, Quebec. Die John A. Macdonald war ein wesentlich größeres und leistungsstärkeres Schiff als die Labrador und ein hochseetauglicher Eisbrecher, der auch den härtesten polaren Bedingungen gewachsen war. Ihre dieselelektrische Maschine mit einer Leistung von 15.000 PS (11.000 kW) war in drei Einheiten unterteilt, die die Kraft gleichmäßig auf jede der drei Wellen übertrugen. ⓘ
Kanadas größter und leistungsstärkster Eisbrecher, die 120 Meter lange CCGS Louis S. St-Laurent, wurde 1969 ausgeliefert. Ihr ursprüngliches System mit drei Dampfturbinen, neun Generatoren und drei Elektromotoren erzeugt 27.000 Wellen-PS (20.000 kW). Im Rahmen eines mehrjährigen Umbauprojekts (1987-1993) erhielt das Schiff einen neuen Bug und ein neues Antriebssystem. Die neue Antriebsanlage besteht aus fünf Dieselmotoren, drei Generatoren und drei Elektromotoren, die etwa die gleiche Antriebsleistung erbringen. ⓘ
Am 22. August 1994 erreichten die Louis S. St-Laurent und die USCGC Polar Sea als erste nordamerikanische Überwasserschiffe den Nordpol. Ursprünglich sollte das Schiff im Jahr 2000 außer Dienst gestellt werden; durch eine Überholung wurde der Zeitpunkt der Außerdienststellung jedoch auf 2017 verschoben. Es soll nun bis in die 2020er Jahre im Dienst bleiben, bis eine neue Klasse von Polareisbrechern für die Küstenwache eingeführt wird. ⓘ
Eisbrecher mit Nuklearantrieb
Russland betreibt derzeit alle vorhandenen und funktionierenden nuklear angetriebenen Eisbrecher. Der erste, NS Lenin, lief 1957 vom Stapel und wurde 1959 in Betrieb genommen, bevor er 1989 offiziell außer Dienst gestellt wurde. Sie war sowohl das erste atomgetriebene Überwasserschiff der Welt als auch das erste zivile Schiff mit Atomantrieb. ⓘ
Der zweite sowjetische nukleare Eisbrecher war die NS Arktika, das Führungsschiff der Arktika-Klasse. Sie war seit 1975 in Dienst und erreichte am 17. August 1977 als erstes Überwasserschiff den Nordpol. Mehrere nuklear angetriebene Eisbrecher wurden auch außerhalb der Sowjetunion gebaut. Zwei nukleare Eisbrecher der Taymyr-Klasse mit flachem Tiefgang wurden in den späten 1980er Jahren in Finnland für die Sowjetunion gebaut. ⓘ
Im Mai 2007 wurde die Seeerprobung des nuklear angetriebenen russischen Eisbrechers NS 50 Let Pobedy abgeschlossen. Das Schiff wurde von der Murmansk Shipping Company in Dienst gestellt, die alle acht staatlichen russischen Nukleareisbrecher verwaltet. Der Kiel wurde 1989 von den Leningrader Baltic Works gelegt, und das Schiff lief 1993 als NS Ural vom Stapel. Dieser Eisbrecher sollte der sechste und letzte der Arktika-Klasse sein und ist derzeit der größte Eisbrecher der Welt. ⓘ
Funktion
Heute werden die meisten Eisbrecher benötigt, um Handelsrouten offen zu halten, auf denen entweder saisonale oder permanente Eisverhältnisse herrschen. Die Handelsschiffe, die in diesen Regionen Häfen anlaufen, sind zwar für die Navigation im Eis verstärkt, aber in der Regel nicht stark genug, um das Eis allein zu bewältigen. Aus diesem Grund besteht die Hauptaufgabe der Eisbrecher in der Ostsee, den Großen Seen, dem Sankt-Lorenz-Strom und auf der Nordsee-Route darin, Konvois aus einem oder mehreren Schiffen sicher durch eisgefüllte Gewässer zu eskortieren. Wenn ein Schiff vom Eis festgehalten wird, muss der Eisbrecher es befreien, indem er das das Schiff umgebende Eis bricht und gegebenenfalls eine sichere Passage durch das Eisfeld ermöglicht. Bei schwierigen Eisverhältnissen kann der Eisbrecher auch die schwächsten Schiffe abschleppen. ⓘ
Einige Eisbrecher werden auch zur Unterstützung der wissenschaftlichen Forschung in der Arktis und Antarktis eingesetzt. Neben der Fähigkeit, Eis zu brechen, müssen die Schiffe über ausreichend gute Freiwassereigenschaften für den Transit in die und aus den Polarregionen, über Einrichtungen und Unterkünfte für das wissenschaftliche Personal sowie über Ladekapazität zur Versorgung von Forschungsstationen an der Küste verfügen. Länder wie Argentinien und Südafrika, die in heimischen Gewässern keine Eisbrecher benötigen, verfügen über Forschungseisbrecher für die Durchführung von Studien in den Polarregionen. ⓘ
Da sich Offshore-Bohrungen in die arktischen Meere verlagern, werden Eisbrecherschiffe benötigt, um die Bohrstellen mit Fracht und Ausrüstung zu versorgen und die Bohrschiffe und Ölplattformen vor dem Eis zu schützen, indem sie Eismanagement betreiben, d. h. treibendes Eis in kleinere Schollen zerschlagen und Eisberge von dem geschützten Objekt wegsteuern. In der Vergangenheit wurden solche Operationen vor allem in Nordamerika durchgeführt, aber heute werden auch in verschiedenen Teilen der russischen Arktis arktische Offshore-Bohrungen und Ölförderungen durchgeführt. ⓘ
Die Küstenwache der Vereinigten Staaten setzt Eisbrecher ein, um Such- und Rettungseinsätze in den eisigen Polarmeeren durchzuführen. Die Eisbrecher der Vereinigten Staaten dienen der Verteidigung wirtschaftlicher Interessen und der Aufrechterhaltung der Präsenz der Nation in der Arktis und Antarktis. Da die Eiskappen in der Arktis weiter schmelzen, werden immer mehr Durchgänge entdeckt. Diese möglichen Schifffahrtsrouten führen dazu, dass das Interesse von Nationen aus aller Welt an den polaren Hemisphären zunimmt. Die Polareisbrecher der Vereinigten Staaten müssen weiterhin die wissenschaftliche Forschung in den expandierenden arktischen und antarktischen Ozeanen unterstützen. Jedes Jahr muss ein schwerer Eisbrecher die Operation Deep Freeze durchführen, bei der ein sicherer Weg für Versorgungsschiffe zur Einrichtung McMurdo der National Science Foundation in der Antarktis freigemacht wird. Die jüngste mehrmonatige Exkursion wurde von der Polar Star geleitet, die ein Container- und ein Treibstoffschiff durch tückische Bedingungen eskortierte, bevor sie den Kanal eisfrei hielt. Ohne einen schweren Eisbrecher wäre Amerika nicht in der Lage, seine Polarforschung in der Antarktis fortzusetzen, da es keine Möglichkeit gäbe, die Wissenschaftsstiftung zu erreichen. ⓘ
Merkmale
Eiswiderstand und Rumpfform
Eisbrecher werden oft als Schiffe beschrieben, die mit ihrem schrägen Bug auf das Eis fahren und es unter dem Gewicht des Schiffes brechen. In Wirklichkeit geschieht dies nur bei sehr dickem Eis, wo der Eisbrecher im Schritttempo vorankommt oder sogar wiederholt mehrere Schiffslängen zurücksetzen und das Packeis mit voller Kraft rammen muss. In der Regel wird das Eis, das eine relativ geringe Biegefestigkeit aufweist, leicht gebrochen und unter den Rumpf getaucht, ohne dass sich der Trimm des Eisbrechers merklich ändert, während sich das Schiff mit einer relativ hohen und konstanten Geschwindigkeit vorwärts bewegt. ⓘ
Bei der Konstruktion eines Eisbrechers besteht eines der Hauptziele darin, die Kräfte zu minimieren, die beim Brechen des Eises und beim Eintauchen der gebrochenen Schollen unter das Schiff auftreten. Der Durchschnittswert der Längskomponenten dieser momentanen Kräfte wird als Eiswiderstand des Schiffes bezeichnet. Schiffbauingenieure, die Eisbrecher entwerfen, verwenden die so genannte h-v-Kurve, um die Eisbrechfähigkeit des Schiffes zu bestimmen. Sie zeigt die Geschwindigkeit (v), die das Schiff in Abhängigkeit von der Eisdicke (h) erreichen kann. Dazu wird die Geschwindigkeit berechnet, bei der die Schubkraft der Propeller dem kombinierten hydrodynamischen und eisbedingten Widerstand des Schiffes entspricht. Eine alternative Methode zur Bestimmung der Eisbrechfähigkeit eines Schiffes unter verschiedenen Eisbedingungen wie z. B. Druckrücken ist die Durchführung von Modellversuchen in einem Eistank. Unabhängig von der Methode wird die tatsächliche Leistung neuer Eisbrecher nach dem Bau des Schiffes in Eisversuchen in Originalgröße überprüft. ⓘ
Um die eisbrechenden Kräfte zu minimieren, werden die Rumpflinien eines Eisbrechers in der Regel so konstruiert, dass die Aufweitung an der Wasserlinie so gering wie möglich ist. Daher zeichnen sich Eisbrecherschiffe durch einen schrägen oder abgerundeten Vorsteven sowie durch schräge Seiten und eine kurze Parallele mittschiffs aus, um die Manövrierfähigkeit im Eis zu verbessern. Der löffelförmige Bug und der runde Rumpf haben jedoch einen schlechten hydrodynamischen Wirkungsgrad und schlechte Fahreigenschaften und machen den Eisbrecher anfällig für Slamming, d. h. das Aufschlagen der Bodenstruktur des Schiffes auf der Meeresoberfläche. Aus diesem Grund ist der Rumpf eines Eisbrechers oft ein Kompromiss zwischen minimalem Eiswiderstand, Manövrierfähigkeit im Eis, geringem hydrodynamischen Widerstand und angemessenen Eigenschaften im offenen Wasser. ⓘ
Einige Eisbrecher haben einen Rumpf, der am Bug breiter ist als am Heck. Diese so genannten "Reamer" vergrößern die Breite des Eiskanals und verringern so den Reibungswiderstand im Achterschiff und verbessern die Manövrierfähigkeit des Schiffs im Eis. Zusätzlich zum reibungsarmen Anstrich verwenden einige Eisbrecher einen explosionsgeschweißten, abriebfesten Eisgürtel aus Edelstahl, der die Reibung weiter verringert und den Schiffsrumpf vor Korrosion schützt. Hilfssysteme wie leistungsstarke Wassersauger und Luftsprudelsysteme werden eingesetzt, um die Reibung zu verringern, indem sie eine Schmierschicht zwischen dem Rumpf und dem Eis bilden. Das Pumpen von Wasser zwischen Tanks auf beiden Seiten des Schiffes führt zu einem kontinuierlichen Rollen, das die Reibung verringert und das Vorankommen im Eis erleichtert. Experimentelle Bugkonstruktionen wie der flache Thyssen-Waas-Bug und ein zylindrischer Bug wurden im Laufe der Jahre erprobt, um den Eiswiderstand weiter zu verringern und einen eisfreien Kanal zu schaffen. ⓘ
Strukturelle Konstruktion
Eisbrecher und andere Schiffe, die in eisgefüllten Gewässern eingesetzt werden, benötigen zusätzliche strukturelle Verstärkungen gegen die verschiedenen Belastungen, die sich aus dem Kontakt zwischen dem Schiffsrumpf und dem umgebenden Eis ergeben. Da der Eisdruck in den verschiedenen Bereichen des Schiffsrumpfs unterschiedlich hoch ist, sind die am stärksten verstärkten Bereiche des Schiffsrumpfs der Bug, der den höchsten Eislasten ausgesetzt ist, und die Bereiche um die Wasserlinie herum, wobei zusätzliche Verstärkungen sowohl über als auch unter der Wasserlinie erforderlich sind, um einen durchgehenden Eisgürtel um das Schiff herum zu bilden. ⓘ
Kurze und gedrungene Eisbrecher werden in der Regel in Querbauweise gebaut, bei der die Außenhaut mit Spanten versteift wird, die in einem Abstand von 400 bis 1.000 Millimetern zueinander angeordnet sind, im Gegensatz zur Längsbauweise, die bei längeren Schiffen verwendet wird. In der Nähe der Wasserlinie verteilen die in vertikaler Richtung verlaufenden Spanten die lokal konzentrierten Eislasten auf die Außenhaut auf Längsträger, die so genannten Stringer, die ihrerseits von Stegspanten und Schotten getragen werden, die die weiter verteilten Rumpflasten aufnehmen. Während die Außenhaut, die in direktem Kontakt mit dem Eis steht, bei älteren polaren Eisbrechern bis zu 50 Millimeter dick sein kann, führt die Verwendung von hochfestem Stahl mit einer Streckgrenze von bis zu 500 MPa bei modernen Eisbrechern zur gleichen strukturellen Festigkeit bei geringerer Materialstärke und geringerem Stahlgewicht. Unabhängig von der Festigkeit muss der in den Rumpfstrukturen eines Eisbrechers verwendete Stahl in der Lage sein, einem Sprödbruch bei niedrigen Umgebungstemperaturen und hohen Belastungsbedingungen zu widerstehen, die beide für den Betrieb in eisgefüllten Gewässern typisch sind. ⓘ
Eisbrecher, die nach den Vorschriften einer Klassifikationsgesellschaft wie American Bureau of Shipping, Det Norske Veritas oder Lloyd's Register gebaut werden, können einer Eisklasse zugeordnet werden, die auf dem Grad der Eisverstärkung des Schiffskörpers beruht. Die Eisklasse wird in der Regel durch die maximale Eisdicke bestimmt, in der das Schiff voraussichtlich eingesetzt wird, sowie durch andere Anforderungen, wie etwa mögliche Einschränkungen beim Rammen. Während die Eisklasse im Allgemeinen einen Hinweis auf den Grad der Eisverstärkung und nicht auf die tatsächliche Eisbrecherfähigkeit eines Eisbrechers gibt, haben einige Klassifikationsgesellschaften wie das Russian Maritime Register of Shipping Anforderungen an die Betriebsfähigkeit für bestimmte Eisklassen. Seit den 2000er Jahren hat die International Association of Classification Societies (IACS) vorgeschlagen, ein einheitliches System einzuführen, das als Polarklasse (PC) bekannt ist und die spezifischen Eisklassenbezeichnungen der Klassifikationsgesellschaften ersetzen soll. ⓘ
Leistung und Antrieb
Seit dem Zweiten Weltkrieg wurden die meisten Eisbrecher mit dieselelektrischem Antrieb gebaut, bei dem an Generatoren gekoppelte Dieselmotoren Strom für die Antriebsmotoren erzeugen, die die Festpropeller drehen. Die ersten dieselelektrischen Eisbrecher wurden mit Gleichstromgeneratoren und Antriebsmotoren gebaut, aber im Laufe der Jahre wurde die Technologie zunächst auf Wechselstromgeneratoren und schließlich auf frequenzgesteuerte Wechselstromsysteme umgestellt. Bei modernen dieselelektrischen Eisbrechern ist das Antriebssystem nach dem Kraftwerksprinzip aufgebaut, bei dem die Hauptgeneratoren Strom für alle Verbraucher an Bord liefern und keine Hilfsmotoren erforderlich sind. ⓘ
Obwohl der dieselelektrische Antriebsstrang wegen der guten Drehmomentcharakteristik der elektrischen Antriebsmotoren bei niedrigen Drehzahlen die bevorzugte Wahl für Eisbrecher ist, wurden auch Eisbrecher mit Dieselmotoren gebaut, die mechanisch mit Untersetzungsgetrieben und Verstellpropellern gekoppelt sind. Der mechanische Antriebsstrang hat mehrere Vorteile gegenüber dieselelektrischen Antriebssystemen, wie z. B. ein geringeres Gewicht und eine bessere Kraftstoffeffizienz. Allerdings reagieren Dieselmotoren empfindlich auf plötzliche Änderungen der Propellerdrehzahl. Um dem entgegenzuwirken, sind mechanische Antriebe in der Regel mit großen Schwungrädern oder hydrodynamischen Kupplungen ausgestattet, um die Drehmomentschwankungen aufgrund der Wechselwirkung zwischen Propeller und Eis aufzufangen. ⓘ
Der 1969 gebaute kanadische Polareisbrecher CCGS Louis S. St-Laurent war einer der wenigen Eisbrecher, die mit Dampfkesseln und Turbogeneratoren ausgestattet waren, die Strom für drei elektrische Antriebsmotoren erzeugten. Später wurde er mit fünf Dieselmotoren nachgerüstet, die einen besseren Kraftstoffverbrauch als Dampfturbinen bieten. Spätere kanadische Eisbrecher wurden mit diesel-elektrischem Antrieb gebaut. ⓘ
Zwei Eisbrecher der Polar-Klasse, die von der Küstenwache der Vereinigten Staaten betrieben werden, haben ein kombiniertes diesel-elektrisches und mechanisches Antriebssystem, das aus sechs Dieselmotoren und drei Gasturbinen besteht. Während die Dieselmotoren mit Generatoren gekoppelt sind, die Strom für drei Antriebsmotoren erzeugen, sind die Gasturbinen direkt mit den Propellerwellen gekoppelt, die die Verstellpropeller antreiben. Das dieselelektrische Kraftwerk kann bis zu 13.000 kW (18.000 PS) erzeugen, während die Gasturbinen eine kombinierte Dauerleistung von 45.000 kW (60.000 PS) haben. ⓘ
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Die Anzahl, Art und Anordnung der Propeller hängt von der Leistung, dem Tiefgang und dem Verwendungszweck des Schiffes ab. Kleinere Eisbrecher und eisbrechende Spezialschiffe können mit einem einzigen Propeller auskommen, während große Polareisbrecher in der Regel bis zu drei große Propeller benötigen, um die gesamte Leistung aufzunehmen und genügend Schub zu liefern. Einige Flusseisbrecher mit geringem Tiefgang wurden mit vier Propellern im Heck gebaut. Zur Erhöhung des Schubs bei niedrigeren Geschwindigkeiten können Düsen verwendet werden, die jedoch durch Eis verstopfen können. Bis in die 1980er Jahre wurden Eisbrecher, die regelmäßig in den Eisfeldern der Ostsee eingesetzt wurden, zunächst mit einem und später mit zwei Bugpropellern ausgestattet, um eine kräftige Spülung entlang des Schiffsrumpfes zu erzeugen. Dadurch wurde die Fähigkeit der Schiffe, Eis zu brechen, erheblich gesteigert, da die Reibung zwischen dem Schiffsrumpf und dem Eis verringert wurde, und die Eisbrecher konnten in dicke Eisrücken eindringen, ohne sie zu rammen. Die Bugpropeller sind jedoch nicht für polare Eisbrecher geeignet, die in härterem, mehrjährigem Eis eingesetzt werden, und wurden daher in der Arktis nicht verwendet. ⓘ
Azimutalstrahlruder machen traditionelle Propeller und Ruder überflüssig, da die Propeller in steuerbaren Gondeln untergebracht sind, die sich um 360 Grad um eine vertikale Achse drehen können. Diese Strahlruder verbessern die Antriebseffizienz, die Eisbrecherfähigkeit und die Manövrierfähigkeit des Schiffes. Der Einsatz von Azimut-Strahlrudern ermöglicht es einem Schiff auch, sich im Eis nach achtern zu bewegen, ohne seine Manövrierfähigkeit zu verlieren. Dies hat zur Entwicklung doppelt wirkender Schiffe geführt, bei denen das Heck wie der Bug eines Eisbrechers geformt ist und der Bug für den Einsatz im offenen Wasser ausgelegt ist. Auf diese Weise kann das Schiff auf offenem Wasser wirtschaftlich betrieben werden, ohne dass seine Fähigkeit, unter schwierigen Eisbedingungen zu operieren, beeinträchtigt wird. Azimutalstrahlruder haben es auch ermöglicht, neue experimentelle Eisbrecher zu entwickeln, die seitlich arbeiten, um einen breiten Kanal durch das Eis zu öffnen. ⓘ
Kerngetrieben
Die dampfgetriebenen Eisbrecher wurden in den späten 1950er Jahren wiederbelebt, als die Sowjetunion 1959 den ersten nuklear angetriebenen Eisbrecher, die Lenin, in Betrieb nahm. Er verfügte über einen nuklear-turbo-elektrischen Antriebsstrang, bei dem der Kernreaktor zur Erzeugung von Dampf für Turbogeneratoren genutzt wurde, die wiederum Strom für die Antriebsmotoren erzeugten. Ab 1975 gaben die Russen sechs nukleare Eisbrecher der Arktika-Klasse in Auftrag, von denen der letzte, die 2007 gebaute 50 Let Pobedy, mit 52.800 kW (70.800 PS) der größte und leistungsstärkste Eisbrecher der Welt ist (Stand 2013). Die Sowjets bauten auch ein Eisbrecher-Frachtschiff mit Nuklearantrieb, Sevmorput, das mit einem einzigen Kernreaktor und einer Dampfturbine ausgestattet war, die direkt an die Propellerwelle gekoppelt war. Russland, das nach wie vor der einzige Betreiber von nuklear angetriebenen Eisbrechern ist, baut derzeit einen neuen Eisbrecher mit 60.000 kW (80.000 PS), der die alternde Arktika-Klasse ersetzen soll. Das erste Schiff dieses Typs soll 2017 in Dienst gestellt werden. ⓘ
Resonanzverfahren
Ein Hovercraft kann Eis mit der Resonanzmethode brechen. Dabei schwingen Eis und Wasser auf und ab, bis das Eis so stark mechanisch ermüdet, dass es bricht. ⓘ
Eigenschaften
Mehrere Bedingungen muss ein Eisbrecher gegenüber normalen Schiffen erfüllen:
- er soll eine Bug- und Rumpfform haben, die nicht nur das Eis bricht, sondern die gebrochenen Eisstücke auch derart unter oder über das Festeis schiebt, dass eine offene Fahrrinne zurückbleibt.
- die Schiffsaußenhaut muss besonders stabil gebaut sein, um nicht von den Eismassen zerdrückt zu werden.
- spezielle Rumpfformen müssen sicherstellen, dass es nicht zu rechtwinkligen Eispressungen kommen kann, wenn der Eisbrecher selbst einmal festsitzt;
- die Motorleistung muss ausreichend sein, den Vortrieb auch unter schweren Bedingungen zu gewährleisten;
- Propeller und Ruder müssen so angebracht sein, dass sie nicht durch die Eisbrecharbeit gefährdet werden. ⓘ
Der Rumpf
Der Rumpf eines im Eis fahrenden Schiffes bedarf einer Eisverstärkung: Stärkere Beplankung innerhalb des Tauchbereichs des Rumpfes, durchgängig doppelte Verschweißung der Außenhaut, verstärkte Innenspanten und engerer Spantenabstand. Eisbrecher sind im Verhältnis zu ihrer Größe besonders breite Schiffe, um eine möglichst breite Fahrrinne zu erzeugen. ⓘ
Die Leistung
Die Motorleistung eines Eisbrechers ist höher im Vergleich zu anderen Schiffen gleicher Größe, um das Eis vor ihm brechen zu können. Abhängig von ihren eisbrechenden Leistungen werden Eisbrecher in Eisklassen eingeteilt. ⓘ
Eisbrechende Frachtschiffe
Um in arktischen Regionen Frachtschiffe bei mittleren Eisbedingungen auch ohne Unterstützung eines Eisbrechers einsetzen zu können, wurden in jüngerer Zeit erste eisbrechende Containerschiffe gebaut. So können russische Schiffe des Typs Aker ACS 650 in bis zu 1,5 m dickem Eis selbständig operieren. Auch die Sevmorput ist als nuklear getriebenes Frachtschiff in der Lage, Eis bis zu einer Dicke von 1 m zu brechen. ⓘ
Binneneisbrecher
Auch in der Binnenschifffahrt kommen Eisbrecher für den Aufbruch von Flüssen und Kanälen für die Schifffahrt sowie für den Aufbruch von Eisstaus im Bereich von Wehren und Schleusen zum Einsatz. In Deutschland werden nahezu sämtliche Binneneisbrecher durch die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) betrieben. ⓘ
Die Deutsche Binnenreederei GmbH verfügt zudem über einen sogenannten Eispflug, der den Einsatz von Schubverbänden auf zugefrorenen Kanälen ermöglicht. ⓘ