Mehr Kohle für alle

 

Kohlefaser hat sich im Bootsbau etabliert, aber sie nimmt nicht denselben Rang ein wie Glasfaser. Sie ist teurer und hat ein Umweltproblem. Aber sie ist ein Werkstoff mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Wo machen „Carbonfaser-Komposite“ (CFK) Sinn, und wo nicht?

 

Als Robin Knox-Johnston und Peter Blake 1993 beschlossen, mit dem 85-Fuß-Katamaran „Enza New Zealand“ die Jules Verne Trophy zu gewinnen, überlegten sie, ob sie ihren Aluminiummast durch einen sehr viel teureren Kohlefasermast ersetzen sollten. Carbospars-Manager Damon Rogers brachte das Problem auf den Punkt: „Es ist einfach die Frage, ob man gern das Gewicht eines Kleinwagens im Mast hängen hat.“ Der Palstek berichtete im Januar über Umrüstung einer Swan 441 auf ein 150 Kilo leichteres Carbon-Rigg. Jan Kuffel segelte das Schiff vor und nach der Umrüstung – danach war es schneller, stabiler und agiler, kurz, es fühlte sich an wie ein neues Schiff. Und es wäre noch mehr Gewichtsersparnis möglich gewesen.

 

Kohlefaserbauteile wiegen halb so viel wie Aluminium und, wenn sie Kräfte überwiegend in eine Richtung aufnehmen müssen, können sie noch leichter sein. Blake und Knox-Johnston sparten in ihrem Rigg fast 700 Kilo Gewicht mit einem Schwerpunkt in 15 Meter Höhe. Dadurch hatten die Vorschiffe weniger Druck beim Einsetzen, und das Schiff war insgesamt leichter und schneller und segelte am Wind auch noch trockener, also widerstandsfreier. Bei der Swan 441 wog das alte Rigg einschließlich Drähten, Fallen und Rollreffanlage (aber ohne Baum und Segel) stolze 462,5 Kilo, und der Schwerpunkt dieser Masse lag fast 10 Meter über Deck.

 

Stellt man sich eine Kielyacht im 90°-Winkel gekrängt vor, dann wird klar, dass jedem zusätzlichen Kilo Rigg-Gewicht 5 bis 7 Kilo zusätzliches Kielgewicht entsprechen. Macht man nur das Rigg leichter und lässt das Kielgewicht, wie es ist, dann wird das Schiff steifer und kann mehr Segeldruck in Fahrt umsetzen. Die Lasten auf dem Rigg werden dadurch eher größer als geringer! Wenn man aber nicht nur das Rigg, sondern im gleichen Verhältnis auch den Kiel leichter macht, wird der Rumpf weniger belastet, und man kann an vielen Stellen weiteres Material einsparen. Im Konstruktionsprozess werden solche Varianten tatsächlich simuliert, und Imoca-Seglern ist bewusst, dass die Veränderung eines Parameters Einfluss auf alle anderen hat, wenn man’s konsequent betreibt.

 

Je weiter Masseschwerpunkte von den drei Achsen entfernt sind, um die ein Boot sich bewegen kann, desto wirkungsvoller ist eine Gewichtsersparnis. Carbon-Handgriffe, wie man sie auf einem Imoca finden kann, sind federleicht und sehen cool aus, machen aber nur auf einem Boot Sinn, bei dem bereits vom Entwurf an bei wirklich jedem Bauteil Gewicht gespart wird. Dann macht es die Summe. Für Normalsegler (mit gutem Budget) gilt: Je weiter ein Teil von der Bootsmitte entfernt ist, desto segensreicher macht sich Gewichtsersparnis bemerkbar. Was einige Langfahrtyachten an Heckgeräteträgern, Bugkörben, Spinnaker- und Großbäumen und sonstigem Schwergut übers Meer bewegen, drängt sich zum Abspecken geradezu auf. Auf Langfahrtyachten kann gespartes Schiffsgewicht in erhöhte Zuladung, oder bei gleicher Zuladung in ein kürzeres Schiff mit weniger Segelfläche umgesetzt werden. Falls man das will.

 

Funktionstüchtige Teile ersetzt man selten durch teure Neuanschaffungen. Aber wenn ohnehin über Veränderungen nachgedacht wird, und wenn das Schiff gute Segeleigenschaften haben soll, lohnt es sich, über Gewichtseinsparungen und damit über CFK nachzudenken. Ruderanlage, Großbaum, Spinnakerbäume und Davits samt Beiboot sind gute Kandidaten. Alles, was an Bord von Hand bewegt werden soll, ebenfalls. Betrachtet man das Deck als ein Bauteil, das über dem Masseschwerpunkt des Rumpfes liegt, dann ist es allein aufgrund seiner Größe und seiner Lage oberhalb dieses Schwerpunkts ein Teil, bei dem sich Gewichtsersparnis lohnt. Und auch weil ein Deck an vielen Stellen hohe Kräfte aufnehmen muss, ist es ein Bauteil, bei dem sich der Einsatz von Kohlefaser rechnen kann. Vorausgesetzt, es wird wirklich gerechnet und nicht großzügig geschätzt.

 

Philipp Knüppel unterrichtet an der Fachhochschule Kiel Schiffbaustudenten, als Ingenieur berechnet er – unter anderem – komplexe Bauteile mit der Finite Elemente Methode (FEM). Wer bei ihm ein Kohlefaser-Ruder für eine Yacht in Auftrag gibt, kann für einen Bauplan 4000 bis 5000 Euro veranschlagen. Es kann auch teurer werden, je nachdem, mit welchem Zeitaufwand und wie detailliert die Belastungen im Rechner simuliert werden sollen. „Gerade weil Kohlefaser nicht der nachhaltigste Werkstoff ist, und weil es mittlerweile andere Fasern wie Flachs gibt, die sich gut recyceln lassen, sollte man überlegen, wo man die Kohlefasern einsetzt.“

 

In Europa wurden im vergangenen Jahr 63 000 Tonnen CFK produziert. Es gibt Lösungen für Recycling und Entsorgung, aber sie sind noch nicht im industriellen Maßstab verfügbar. Deshalb hat CFK als Ressource mit 83,6 einen zehnmal höheren CO2-Faktor als GFK (8,5). Diese Kennzahl sagt nichts über die Bemühungen eines Unternehmens um nachhaltige Produktion und Recycling. Das deutsche Unternehmen SGL Carbon beispielsweise ist dabei, seine CO2-Emissionen von 2019 bis 2025 zu halbieren und will 2038 klimaneutral sein, und auch andere Hersteller sind um Umweltfreundlichkeit bemüht.

 

Wenn es um Höchstleistung geht, kommt man um den Einsatz der schwarzen Fasern nicht herum. Konstrukteure und Ingenieure wie Knüppel berechnen bei der Erarbeitung eines Gelegeplans für jeden Bereich des Bauteils, das ja selten gleichförmig belastet wird, die notwenigen Materialstärken. Ohne solche Gelegepläne macht der Einsatz von Kohlefaser keinen Sinn.

 

Kohlenstoff (chemisches Zeichen: C) kommt in der Natur häufig vor. Mal als undurchsichtiges weiches Graphit, in Verbindung mit Sauerstoff als Gas, sehr selten als transparenter Diamant. Kohlenstoff ist ein chemisch so vielseitiges Element, dass er der Grundbaustein des Lebens ist. 99,9 Prozent des irdischen Kohlenstoffs stecken in der Erdkruste und darunter. Die restlichen 0,1 Prozent, nämlich 43.500 Milliarden Tonnen, verteilen sich auf die Ozeane, die Atmosphäre und das Leben auf der Erde. In unserer Atmosphäre (590 Milliarden Tonnen Kohlenstoff) gerät die Sache gerade aus dem Gleichgewicht, denn die Kohlenstoffmengen, die wir aus der Erde holen und in die Atmosphäre abgeben (wo sie vor langer Zeit schon mal waren) tragen zur Aufheizung der Atmosphäre bei. Was zu viel CO2 in der Atmosphäre bewirkt, sieht man auf der Venus, die einen CO2-Anteil von 96 Prozent hat und deshalb 505 Grad heißer ist, als sie es ohne Treibhauseffekt wäre.

 

Kohlefaser-Filamente werden aus unterschiedlichen Kohlenstoffverbindungen in einem fünfstufigen Prozess hergestellt. Dabei spielen chemische Verfahren und Hitze – zunächst 300 Grad, später 1300 bis 1500 Grad, oder sogar über 1800 Grad – die Hauptrolle. Die Endprodukte können die verschiedensten Eigenschaften haben. Es gibt Carbonfasern, Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und Carbonfaserverstärkte Kohlenstoffe (CFC). Letztere wurden für das Apollo-Programm der NASA entwickelt und sind äußert hitze- und kältestabil. Sie sind sehr teuer und werden bei Temperaturen um die 2500 Grad aus CFK gewonnen.

 

Für Segler interessant sind Carbonfasern als Ausgangsprodukt und CFK als Endmaterial, beide im Sprachgebrauch als „Kohle“ oder „Kohlefaser“ bezeichnet. Kohlefasergelege, -gewebe oder -stränge, in eine Matrix aus Epoxidharz eingebettet, sind derzeit das stärkste Material im Bootsbau. Kohlefaser-Filamente aus Spinndüsen werden zunächst zu Rovings, das sind die „Garne“ der Carbon-Produkte, gebündelt. Eine einzelne Faser hat knapp ein Fünfzigstel des Querschnitts eines Menschenhaars. Die Rovings werden in Tausenderstärken (1K, 2K, bis 24K) aufgespult. Daraus werden Gelege vernäht, gewebt und sogar gestrickt. Neben flächigen Produkten sind auch Schläuche und Seile machbar. 

 

Es gibt eine Reihe von Carbonfaser-Produzenten auf dem Markt, der größte ist das japanische Unternehmen Toray, dahinter folgt die deutsche SGL-Gruppe, ebenfalls ein Global Player. SGL produziert in Deutschland an mehreren Standorten sowohl die einzelnen Rovings als auch Gelege, Gewebe und „Pre-pregs“. In den „vor-imprägnierten“ Geweben ist die Kohlefaser bereits in eine fertige Matrix aus nicht ausgehärtetem Epoxidharz eingebettet, sie müssen von der Produktion bis zur Verarbeitung kühl gehalten werden und härten dann unter Druck und/oder Hitze aus. Das erfordert Planung und eine mit einem kühlbaren Lager ausgestattete Werft, denn die Prepregs sind nur einige Wochen und nur unter kontrollierten Bedingungen lagerfähig. Ihr Einsatz lohnt sich trotzdem, denn man bekommt vom Werk das optimale Verhältnis von Harz (unter 40%) und Kohlefaser.

 

Auf einem Kohlefaser-Boot zu segeln fühlt sich anders an als Holz, Stahl, Alu oder GFK, obwohl es da auch laut werden kann. Wenn auf einem Kohlefaserrumpf Fallen oder Schoten auf den Winschen dichtgeholt werden, knackt es, als ob das Schiff zerbricht, wenn sie gefiert werden, klingt es, als würde es zersägt.

 

Alex Thomson erzählte dem „Palstek“ vor seinem Vendée-Globe-Start 2016, dass der Rumpf seiner „Hugo Boss“ im Vorschiff, der „slamming area“, nur 2,7 Millimeter stark sei. Im Rennen brach nach einer Kollision mit einem Unterwasser-Objekt das Steuerbord-Foil, aber nicht dass kartondünne Vorschiff. Thomson wurde sensationell Zweiter hinter Armel le Cléac‘h.

 

Sieben Jahre später erschien „Hugo Boss“ bei Knierim Yachtbau in Kiel, sie hieß jetzt „Guyot Environment“. Steffen Müller, einer der Geschäftsführer (mit Gunnar Knierim) der Werft am Nordostseekanal, erinnert sich: „Ganz so dünn, wie Thomson meinte, war sein Vorschiff nicht“, sagt. Die dünne Außenhaut war durch „Omega“-Spanten verstärkt, und da war es durchaus zu Delaminierungen gekommen. Was nichts im Vergleich zu dem Schaden war, der das französisch/deutsche „Guyot“-Team, das die „Hugo Boss“ gekauft hatte, zu Knierim geführt hatte. Nach einem Mastbruch und diversen Schäden am Rumpf stand das Team um Ben Dutreux und Robert Stanjek vor der Entscheidung: Aufgeben oder reparieren?

 

Knierim ist sicher nicht die einzige Werft in Deutschland, die „Kohlefaser kann“, aber sie war die einzige, die auf Zuruf genügend Bootsbauer mit Kohle-Erfahrung und die Kapazitäten (und den Ehrgeiz) hat, einen so massiven Schaden innerhalb einer Woche zu beheben. 800 Arbeitsstunden kostete es, Laminate und Sandwich-Teile so zu rekonstruieren, dass das Schiff auf der 6. und 7. Etappe wieder mit voller Leistung gefahren werden konnte.

 

Müller: „Kohlefaser-Bootsbau ist normaler, moderner Bootsbau. Unsere Leute haben ihren Beruf gelernt, und wenn die Erfahrung dazu kommt, wird man gut.“ Sie arbeiten bei Knierim mit angelieferten Prepregs, aber sie haben auch eine Walzen-Maschine, um selbst in größerem Umfang die getränkten Matten vorfertigen zu können. Erst kommt eine Folie auf den Zuschneidetisch, darauf wird die Matte mit exakt der richtigen Menge Harz getränkt, darauf kommt wieder eine Folie – und dann lässt sich das gewünschte Teil sauber ausschneiden, ohne dass sich eine Faser verschiebt. Das ist technisch wünschenswert, und optisch auch.

 

In zwei Hallen stehen große Tooling-Maschinen, da werden die meistens geheimen Formen von Prototypen gefräst. In einer der großen Hallen liegt neben der gewaltigen „Uca“ ein kleiner Carbon-Foiler, der aussieht wie ein Podracer aus „Krieg der Sterne“. Hinter der „V-rex Sport“ steckt die Idee für einen innovativen Lastensegler. Ein paar Schritte weiter ist ein Regattaschiff fertig geworden, das bei der Sturmflut im vergangenen Jahr ein riesiges Loch an Steuerbord davongetragen hatte. Es hat gerade ein neues Stück Bordwand bekommen. Die Werft hat die unbeschädigte Backbordseite gescannt, auf Steuerbord umgerechnet und das fehlende Teil in exakt den richtigen Materialstärken gebaut und eingesetzt. „Die Seite ist jetzt wieder wie neu“, sagt Müller.

 

In Heikendorf, auf der Ostseite der Förde, arbeitet ein Betrieb ein paar Größenordnungen kleiner, aber im Ergebnis genauso schön: die Nuebold Yachtbau GmbH, „the composite experts“. Gegenüber dem Büro ist die Werkhalle, in der gerade ein Folienzelt mit Luftschläuchen und einem Filter für staubfreie Luft errichtet wird. Jaron Nübold repariert Boote und macht Spezialanfertigungen, hin und wieder auch Pickup-Wohnaufbauten aus Kohlefaser. Seine Spezialität sind Ruder und Foils. Im Gegensatz zu Knierim, wo eine zusätzliche „Sicherheitslage“ zur Beruhigung des Eigners nicht gern gesehen wird, ist Nübold allerdings Pragmatiker. „Wenn man -zig Ruder exakt nach Vorgabe gebaut hat, dann kann man den Plan für ein etwa gleich großes, etwas schwereres Schiff schon mal um eine Lage erweitern. Ob ein Ruder 25 oder 26 Kilo wiegt, ist meistens nicht regattaentscheidend.“ 

Einen Tip hat er für die Palstek-Leser: „Verwendet Kobalt-Bohrer und setzt nie VA-Schrauben direkt in Kohlefaser ein, die rosten weg. Nehmt Ensat-Buchsen, denn Kohlefaser ist elektrisch leitfähig.“

 

Kohlefasern sind ein Werkstoff, der sich für fast alles einsetzen lässt, wo es auf Leichtigkeit und Stärke ankommt. Flugzeugleitwerke und Prothesen, Rennräder und America’s Cupper, Geigen (bei denen Kinnhalter, Steg und Stimmstock noch aus Holz sind), Antriebswellen und schmalere Ruderprofile, coole Verkleidungen und leichte Beiboote – manches davon kann der begabte Selbstbauer in der eigenen Werkstatt herstellen.

 

(veröffentlicht in "Palstek" 4/24)