Snelle boten zijn gewild bij bedrijven en overheidsdiensten, weet Keuning, universitair hoofddocent van het Ship Hydromechanics Laboratory van TU Delft. „Politie, douane, kustwacht en offshorediensten voor olieplatformen op zee maken er sinds de Tweede Wereldoorlog steeds vaker gebruik van. Met alle problemen van dien.”

Zolang ze in beschutte binnenwateren blijven, is het varen met snelle boten geen probleem. Op zee is dat echter een heel ander verhaal: snelle, kleine schepen en hoge golven gaan slecht samen, aldus Keuning. „Ze maken met hun boeg extreem harde klappen op de golven. Mensen en schepen gaan daaraan op den duur kapot. Door achter inkomende golven kunnen ze bovendien snel uit de koers raken en lopen het gevaar te kapseizen.”

Het was voor de Delftse scheepsdeskundige duidelijk dat daaraan iets moet worden gedaan. Zo begon hij in 1980 met het uitvoeren van metingen aan snelle zeegaande schepen.

Op zee ondervond Keuning de extreme krachten tijdens de verticale versnellingen aan den lijve: zijn beide knieën werden verbrijzeld toen in de jaren 80 het schip met een klap in een golfdal belandde. Jaren na dato heeft hij nog steeds pijn en loopt hij rond met „staal in zijn botten.” De gebeurtenis heeft echter wel richting gegeven aan zijn onderzoek.

De Delftse ingenieur promoveerde in 1994 op een wiskundig model waarmee hij de bewegingen van de snelle zeegaande schepen nauwkeurig kon simuleren.

Daarna vatte hij de koe bij de horens en kwam met ideeën om schepen in ruwe zee stabieler en koersvaster te maken. Keunings eerste vinding was het zogeheten ”enlarged ship concept”, een schip met een langere boeg die slanker vormgegeven kan worden (zie kader ”Langer is stabieler”).

De Delftse scheepsexpert kwam ten slotte uit op een scherp gesneden boeg met een bijlvorm (zie kader ”Snijden door de golven”). Volgens de computermodellen moet die de verwoestende verticale versnellingen flink verminderen. De Nederlandse marine, Damen Shipyards uit Gorinchem, onderzoeksinstituut Marin uit Ede en de Amerikaanse kustwacht zagen genoeg potentie in de bijlboeg om een uitgebreid onderzoek te financieren.

De innovatieve bijlboeg voorziet kennelijk in een behoefte. Inmiddels zijn er al 76 schepen met een bijlboeg verkocht, terwijl wereldwijd nog eens 30 à 40 schepen met een bijlboeg op stapel staan, aldus Jaap Gelling, directeur hogesnelheidsschepen van Damen Shipyards.

Keuning was echter nog niet klaar met het verbeteren van het scheepsconcept. Hij wist dat kleine schepen in extreem weer uit koers kunnen raken door golven die schuin vanachteren het schip inhalen. Ze lopen daardoor gevaar te kapseizen. „Voor kleine bootjes zijn golven van 5 à 7 meter hoog al funest, voor mammoettankers kunnen golven van 15 tot 20 meter catastrofaal zijn.” De bijlboeg zou dat verschijnsel zelfs een beetje hebben verergerd.

De scheepsexpert knobbelde uit dat een roer aan de boeg de ongewenste koerswijzingingen zou kunnen voorkomen. Hoewel het roer inmiddels is vervangen door een intrekbare rotor, had zijn intuïtie hem ook deze keer niet bedrogen: uit testen met scheepsmodellen bleek onlangs dat de vinding het gevaar voor kapseizen sterk vermindert (zie kader ”Stuurtje in de boeg”). Zijn verwachtingen zijn hooggespannen: de eerste boot met boegrotor hoopt Damen Shipyards het komende halfjaar af te leveren.

Gelling benadrukt de goede relatie tussen de TU en de Gorinchemse scheepsbouwer. „Voor het ”enlarged ship concept” hadden we een donatieregeling getroffen met de TU. Van het geld konden we gezamenlijk onderzoek uitvoeren. En we voelden ons moreel verplicht iets terug te doen.” Voor de bijlboeg en de boegrotor heeft Damen Shipyards een officiële licentieovereenkomst met de universiteit.

Vanuit scheepsbouwend Nederland ontvangt Keuning veel waardering voor zijn revolutionaire ideeën. Vorig jaar nog kende ingenieursvereniging Kivi Niria hem een prijs toe, vertelt hij. „Mijn onderzoek heeft scheepsbouwend Nederland sinds 2001 wereldwijd weer op de kaart gezet. Nederland staat op het gebied van innovatie aan snelle schepen hoog aangeschreven.”

Langer betekent stabieler

De eerste stap die Lex Keuning zet om het gedrag van kleine schepen in ruwe zee te verbeteren, is het zogeheten ”enlarged ship concept”, een schip met een verlengde boeg. „Simpel gezegd: ik stapte af het zo kort mogelijk houden van het schip, maar maakte het aan de voorkant langer en slanker.”

Anders dan veel mensen verwachten, wordt het schip er volgens de Delftse scheepsexpert niet zwaarder of duurder van, maar krijgt het wel een veel betere zeegang: „Het zogeheten stampen in ruwe zee is met de helft verminderd.” Bovendien neemt de weerstand in golven met 15 procent af. Dat scheelt in de brandstofkosten.

Van het ”enlarged ship concept” zijn er inmiddels 30 geleverd en 100 in aanbouw, waarvan 58 voor de Amerikaanse kustwacht.

Snijden door de golven

Tijdens zwaar weer maken kleine snelle schepen enorme klappen op de golven. Extreme pieken halen soms wel tien keer de gravitatieversnelling.

De grootste klappen ontstaan wanneer de boeg vanuit de lucht op het water neerkomt. Een verbeterde boeg moet dus bij voorkeur tijdens zwaar weer in het water blijven. Keunings ontwerp is qua vorm het best te vergelijken met een klassieke bijl: hij rijst bijna verticaal uit het water omhoog, terwijl hij onder water als een soort kin dieper steekt dan de rest van de kiel.

De bijlboeg blijkt succesvol. Golven smijten het schip niet meer omhoog, de boeg zaagt er dwars doorheen. „De verticale bewegingen zijn met 75 procent teruggebracht. Bovendien is de weerstand in hoge golven vermindert met ongeveer 25 procent; en dat bespaart brandstof”, aldus Keuning.

Stuurtje in de boeg

Een groot gevaar tijdens storm zijn achter inkomende golven. Die tillen een schip aan de achterkant op, waardoor de neus zijwaarts gaat duiken, het zogeheten ”broachen”. Het vaartuig helt en raakt uit de koers, kan dwars op de golven terechtkomen en vervolgens kapseizen.

Lex Keuning kwam op het idee dat een roer aan de boeg dat zou kunnen voorkomen. Die gedachte blijkt te kloppen. Het boegroer wekt echter ook ongewenste wervelingen op aan de voorzijde.

Keuning ontwikkelt daarom een boegrotor, een ronddraaiende staaf in de boeg die dwarskrachten opwekt om het schip stabiel en op koers houden. „Iedereen verklaarde me voor gek.” Proeven bij onderzoeksinstituut Marin bewijzen echter zijn gelijk. De nieuwste ontwikkeling is een intrekbare variant; deze steekt alleen in volle zee onder de boeg uit.

Dit is het eerste deel in een tweeluik over innovatieve scheepsontwerpen. Volgende week woensdag deel 2.