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BOBBY SCHENK
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Segler sind meist Romantiker. Und sie segeln, weil auch ein Schuss Abenteuer reinspielt. Dementsprechend sind auch die Fragen, die hier meist gestellt werden: Wie vermeide ich den Zusammenstoß mit einem Wal? Ist mein Schiff unsinkbar? Das Verhalten bei Stürmen? Und vor allem: Wie schützt man sich vor Blitzeinschlägen? Besonders für letztere Gefahr gibt es eine Menge Rezepte - und genau so viele Kismet-Resignationen. Physiker Peter Knoll ist hier anderer Ansicht und erzielt nach seinem Fachwissen das Maximum an Sicherheit auf seiner eigenen Yacht. Und, so zeigt er, könnten das mit wenig technischem Aufwand alle Werften erreichen.

Bobby Schenk


Blitzschutz auf Yachten in der Praxis

von Universitäts-Professor Dr. Peter Knoll

Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz

 

Was ist bei Gewitter?


Der Traum vom romantischen Leben an Bord steckt so manchen an und lässt den Wunsch nach dem eigenen Boot wachsen. Als angehender Eigner beschäftigt man sich mit vielen Problemen, sehr viele haben mit der Sicherheit für dieses Leben an Bord zu tun; und dann stolpert man irgendwann über die Frage, was ist bei Gewittern und was kann man gegen Blitzschlag tun?

Bei dieser letzen Frage stößt man auf erstaunliche Argumente. Von "das hat Keiner", "das braucht man nicht", "das Schiff ist ja eh nass", "da hängt man einfach ein paar Starterkabeln an die Wanten" bis hin zu "dagegen kann man sowieso nichts machen" reichen die Antworten, die man auf Bootsmessen von Yachthändlern und Werften bekommt. Man merkt schnell: von allzu großer Fachkenntnis trieft es in dieser Frage gerade nicht in der Branche. Als verantwortlicher Skipper, der mit seiner Familie in einer Bucht schöne Tage verbringen will, fragt man sich aber, warum das wenige Meter entfernte Haus eine (oft gesetzlich verpflichtende!) Blitzschutzanlage hat, und das Boot mit seinem provozierenden Mast keine.

Mit den heutigen Kommunikationsmitteln kann man sich recht schnell im Internet einen Überblick verschaffen, welche Abenteuer und Schäden Blitze an Yachten verursacht haben. Zunächst findet man erstaunlich wenig, aber bei genauerer Betrachtung sind die Blitzschäden sehr wohl vorhanden. Meistens ist es der Ausfall und die Beschädigung der Bordelektrik, aber auch von Langzeitschäden an Dichtungen findet man Mutmaßungen, genauso wie Horrorberichte von faustdicken Löchern, welche Blitze in der Bordwand hinterlassen haben sollen. Auch Expertenmeinungen sind vertreten, welche sich für einen Blitzschutz bei Yachten aussprechen, auch wenn dieser nicht gesetzlich vorgeschrieben ist. Stellvertretend hier ein Link zu einem Artikel, welcher notwendige Maßnahmen aus Expertensicht zusammenfasst: VDE-ABB-Blitzschutz. Einziger Haken an der Angelegenheit: wenn man all diese Maßnahmen versucht in eine Yacht einzubauen, dann kann es sehr aufwendig und teuer werden.

All dies ist Grund genug, sich als Physiker mit der Frage des Blitzschutzes zu beschäftigen und beim eigenen Boot die gefundenen Lösungen umzusetzen.

Was erwartet man von einem Blitzschutz?

Bevor man an eine Sache herangeht sollte man sich immer der Frage stellen, was man eigentlich erreichen möchte? Die Vorstellung, ungetrübt und vollkommen geschützt in ein Gewitter hineinzusegeln sollte man lieber gleich vergessen, auch wenn so manche Expertenmeinung dies suggeriert. Genauso wie jeder vernünftige Pilot eine Gewitterzelle tunlichst umfliegen wird, sollte ein verantwortlicher Skipper die Gefahr nicht unbedingt suchen und provozieren. Selbst Technikverliebte sollten nie den Respekt vor den Naturgewalten verlieren. Trotzdem kann man gerade auf dem Wasser oder am Ankerplatz nicht jedem Gewitter ausweichen und Vorkehrungen zu einem möglichst gefahrlosen Abwettern sollten zur guten Seemannschaft gehören. Dies fängt bei der richtigen Ausrüstung, ja bereits bei der Planung und dem Bootsbau an.

1) An erster Stelle steht hier, dass wenn schon ein Blitz die Yacht zu seiner Entladung ausgesucht hat, dass dieser möglichst keine Schäden anrichtet, welche die Yacht ernsthaft gefährden. Dies bedeutet, dass man für eine Ableitung des Blitzstromes zu sorgen hat, sodass die Yacht nicht leckschlagen und sinken kann.

2) Personen an Bord sollten möglichst vor gefährlichen Spannungen geschützt und damit ihr Leben gesichert werden. Dies erfordert einen Potentialausgleich aller metallischen Gegenstände an Bord mit größeren Abmessungen, also Reling, Bug- und Heckkorb, Herd, Spülbecken etc. Dies wird öfters als Ausbildung eines Faradayschen Käfigs als Blitzschutz missverstanden.

3) Erst an letzter und dritter Stelle steht der Schutz der elektrischen Geräte und der Navigationselektronik vor Überspannungen. Wohl sind viele auch sicherheitsrelevante Komponenten moderner Yachten von heikler Elektronik durchzogen, trotzdem wird man hier ersatzfähige Backupsysteme finden und deswegen müssen diese Schutzmaßnahmen gegenüber der unmittelbaren Bedrohung des Bootes und seiner Besatzung in der Priorität zurückstehen.

Warum der Faradaysche Käfig recht wenig mit Blitzschutz zu tun hat!

Bevor die praktische Umsetzung der gestellten Forderungen am eigenen Boot beschrieben wird, soll noch auf einige Missverständnisse eingegangen werden, mit denen man immer wieder konfrontiert wird. Eine davon ist die Wunderwirkung des Faradayschen Käfigs. Die Blechkarosserien der Kraftfahrzeuge und auch der Metallrumpf des Flugzeuges sind ideale Faradaysche Käfige. Meldungen aus der Luftfahrt, wo es hin und wieder zum Ausfall der Bordelektronik durch Blitzschlag kommt, widerlegen jedoch die Ansicht, dass ein Faradayscher Käfig alleine ausreichend für einen Blitzschutz sei. Tatsächlich sollte im Inneren eines durch einen elektrischen Leiter umgebenden Volumens kein elektrisches Feld auftreten und der gesamte Innenraum auf gleichem elektrischen Potential liegen. Diese Bedingung erfüllt sogar ein schlechter Leiter (großer elektrischer Widerstand), da seine Ladungsträger sich so verschieben können, dass äußere elektrische Felder komplett abgeschirmt werden. Ändert sich jedoch dieses äußere elektrische Feld, so müssen die Ladungsträger des Leiters sehr schnell und in ausreichender Stärke reagieren, damit die Abschirmwirkung wieder hergestellt wird. Bei Gewittern und in der Blitzentladung ändert sich das elektrische Feld sogar sehr stark und schnell, weshalb in der leitenden Hülle des Faradayschen Käfigs sehr hohe Ausgleichsströme fließen müssen, welche das Material auch tatsächlich aushalten muss. Schnell ändernde elektrische Felder sind zwangweise mit sich ändernden magnetischen Feldern begleitet, welche nicht vom Faradayschen Käfig abgeschirmt werden und im geglaubt geschützten Volumen Ströme und gefährliche Spannungen induzieren können. Erst ein mehrere Millimeter dicker Eisenrumpf würde hier einigermaßen eine Abschirmung bieten. Da kaum Gebäude und auch nur wenige Rümpfe der Sportschifffahrt dieser Anforderung genügen, geht der Blitzschutz davon aus, dass dem Blitz ein vorbereiteter Pfad für die gefahrlose Ableitung des Blitzstromes zur Verfügung gestellt wird. Ein in der Höhe angebrachter Metalldraht wird durch seine Spitzenwirkung um sich eine besonders hohe elektrische Feldstärke erzeugen, welche als bevorzugtes Ziel des Blitzes dient. Wird nun dieser Blitzeinschlagspunkt möglichst niederohmig mit dem Boden bzw. Wasser verbunden, so sollte der Blitz diesem Pfad folgen und seine Umgebung verschonen. Dies wird üblicherweise als Blitzableiter bezeichnet. So ein gut geerdeter Blitzableiter hat aber noch eine wesentliche Eigenschaft: Bereits bei geringen Spannungsunterschieden in der Atmosphäre wird Strom abgeleitet und in der Umgebung des Blitzableiters Ladung abtransportiert. Dies sollte zu einer Verarmung an elektrischen Ladungsträgern in der Umgebung führen, weshalb es erst gar nicht zu einem Blitzschlag in den Blitzableiter oder in seine unmittelbare Umgebung kommen soll. Das entscheidende Kriterium des Blitzschutzes ist deswegen eher ein gut geerdeter Blitzableiter als ein perfekt konstruierter Faradayscher Käfig.

Um das Ausmaß eines Blitzschlages zu verdeutlichen und auch verständlich zu machen, warum theoretische Überlegungen immer mit etwas Vorsicht zu betrachten sind, soll noch eine kurze Abschätzung gemacht werden: Die Durchschlagsfestigkeit von Luft beträgt 1 - 3,3 kV/mm. Ein Blitz, welcher 50 bis 100m als freie Entladung in Luft überbrückt, wird daher von einer elektrischen Spannung von 50 bis 330 MV getrieben. Glaubt man der Statistik, so haben weit mehr als 90% der Blitze Ströme von weniger als 100.000 A für wenige Millisekunden. Dies ergibt eine elektrische Leistung von 5 bis 33 GW und in der ersten Millisekunde bereits eine Energie von 5 bis 33 MJ. Dies sind gegenüber üblichen Laborbedingungen extrem hohe Werte und auch die Vorgänge in der Atmosphäre sind derart komplex, dass eine Nachbildung im Labor und eine systematische Untersuchung kaum möglich ist, weshalb Blitzvorgänge nach wie vor noch recht unverstanden sind. Trotzdem können aber aus Kenntnis des Verhaltens von Materie bei weitaus geringeren Spannungen und Strömen wertvolle Hinweise und Abschätzungen für einen brauchbaren Blitzschutz abgeleitet werden.
Im Gegensatz zu diesen gigantischen Werten eines Blitzschlages werden für den Menschen bereits Spannungen von mehr als 50V als lebensbedrohend angesehen. Bei den üblichen Abmessungen eines Menschen von 1 bis 2m heißt dies, dass bereits Feldstärken über ca. 30mV/mm als gefährlich anzusehen sind.

Umsetzung in der Praxis


Für die praktische Umsetzung von Blitzschutzmaßnahmen existieren eine Reihe von Normen für Gebäude an Land wie auch für die Schifffahrt. Solche Normen vereinen meist den Stand der Technik mit den gesammelten praktischen Erfahrungen, stellen aber auch einen Kompromiss bezüglich der Einfachheit der Umsetzung, Einhaltung und Verständlichkeit dar. Normen gehen weniger auf den Einzelfall mit seinen physikalischen Vorgängen ein, sondern stellen ein Regelwerk dar, nach dem der Techniker abgesichert ist, dem Stand des Wissens entsprechend seine Aufgabe erfüllt zu haben. Kommt es trotzdem zu Unfällen oder anderen Missgeschicken, so regeln diese Normen wiederum die Frage der Haftung, den Versicherungsschutz und ähnliches. Da in der Freizeitschifffahrt keine zwingende gesetzliche Regelung bezüglich des Blitzschutzes vorliegt, konnte auch keine speziell passende Norm für das eigene Boot ausfindig gemacht werden. Für die Umsetzung am eigenen Boot, ein trailerbarer 28' Motorsegler mit Wasserballast, ist man daher von einer individuellen Planung und Berechnung gemäß vorliegender physikalischer Randbedingungen ausgegangen. Die Ergebnisse wurden dann mit verschiedenen einschlägigen Normen verglichen und bezüglich der vorgeschriebenen Mindestanforderungen angepasst. Es zeigt sich, dass der Aufwand gar nicht so groß ist, wenn rechtzeitig geplant wird, und die Umsetzung bereits beim Bau des Bootes berücksichtigt wird. Zum Glück war die Werft sehr aufgeschlossen, und hat die erforderlichen zusätzlichen Maßnahmen von der Planung, über das Laminieren in den Formen bis zum Zusammenbau der Schalen aktiv mit gestaltet und umgesetzt. Dabei war nicht nur die Frage der Abmessungen und Mindestquerschnitte der Blitzschutzteile zu klären, sondern auch die Wahl der richtigen Materialien, die auch ausschlaggebend ist, um Korrosionen zu vermeiden. Es wurden daher nur Materialen für den Blitzschutz verwendet, welche ohnehin bereits beim Bootsbau verwendet wurden und zwar nichtrostender Stahl der Qualität AISI 316 und Aluminium.

Die ursprünglich gestellten Anforderungen wurden am eigenen Boot umgesetzt: 

ad 1) Die Forderung nach einer möglichst gefahrlosen Ableitung eines Blitzstromes entspricht der Forderung nach einem gut geerdeten Blitzableiter auf der Yacht. Boote mit einem gut elektrisch leitenden Mast, wie es die meisten heutigen Segelboote der Freizeitschifffahrt sind, erfüllen bereits die wichtige Forderung nach einem möglichst hoch angebrachten elektrischen Leiter. Zu lösen ist daher nur die Aufgabe, einen Blitzstrom von ca. 100.000A für die Zeitdauer von ca. 1 ms möglichst gefahrlos an das umgebende Wasser abzuleiten. Dies erfordert eine elektrische Verbindung des Mastes mit Erdungsplatten, welche im direkten elektrischen Kontakt mit dem Wasser sind. Für die Dimensionierung der elektrischen Verbindung ist der Querschnitt für das gewählte Material so zu wählen, dass die während des Blitzstroms stattfindende Erwärmung und Ausdehnung zu keinen Schäden führt. Dazu wurden Berechnungen auf Basis bekannter Materialparameter für die verschiedensten Metalle in verschiedenster Umgebung (an Luft, einlaminiert in GFK, etc.) durchgeführt. Ein Vergleich mit in verschiedensten Normen gefundenen Mindestquerschnitt von 25 - 75mm2 zeigt, dass dieser Wert nur ausreichend in der Umgebung Luft für die meisten Metalle ist, aber nicht genügend dimensioniert ist, falls das Blitzstrom führende Metall in GFK einlaminiert ist. Hier ergeben sich je nach verwendetem Material bis zu 5fach größere Werte.

Wesentlich schwieriger gestaltet sich die Frage nach einer ausreichend dimensionierten Erdungsplatte. In Normen wurden zwar Hinweise auf ca. 0,1 bis 0,25m2 Fläche gefunden, welche aber ebenfalls als zu unspezifisch bewertet und erst genauer hinterfragt werden müssen. In anderen Normen des Gebäudeschutzes findet man Angaben eines notwendigen Erdungswiderstandes von besser als 10 Ohm. Dieser Wert ist gebunden an eine bestimmte Messvorschrift im Niederspannungsbereich und hat relativ wenig Aussagekraft bei den im Fall des Blitzschlages auftretenden tatsächlichen Spannungswerten. Da aber die Wirkung eines Blitzableiters die Ladungsabfuhr bei bereits geringen elektrischen Feldstärken ist, wurde für die eigene Planung von diesem Erdungswiderstand ausgegangen und in Versuchen mit verschiedensten Metallen in Süß- und Salzwasser die elektrischen Übergangswiderstände bestimmt. Dabei ist anzumerken, dass beim elektrischen Kontakt von Metallen mit Wasser komplizierte elektrochemische Prozesse ablaufen, welche nur für jeden Einzelfall individuell behandelbar sind, und deswegen kaum allgemeine Richtlinien gegeben werden können. Es zeigte sich allerdings, dass für den Fall von Kupfer in Süßwasser, eine Fläche von ca. 0,3m2 ausreichend sein dürfte, also nur etwas größer als in den Normen gefunden. Für Edelstahl muss mit der 3fachen Fläche gerechnet werden, während für alle Metalle in Salzwasser man mit 1/10 der Fläche auskommen könnte.

Unabhängig von der etwas problematischen Größe des Übergangswiderstandes ist aber auch die Frage der entstehenden Stromdichte zu klären, also inwieweit Wasser auch den Blitzstrom aufnehmen kann. Hier ist man mit den größeren Flächen für die Erdungsplatten auf der sichereren Seite und erhält Werte von ca. 100mA/mm2 beim angenommenen Blitzstrom. Aus diesem Grund sind auch sogenannte Erdungsschwämme, welche durch ihre poröse Struktur eine hohe Oberfläche auf kleinem Volumen aufweisen, als vollkommen ungeeignet anzusehen, unabhängig von der Frage der schnellen Veralgung der Oberfläche.


Die Umsetzung der nun gefundenen Dimensionierung war ebenfalls eine größere Herausforderung. Das vorliegende Boot ist, wie bei vielen anderen modernen Yachten, aus mehreren Schalen gefertigt. Es wurde schnell klar, dass ein Einbau alleine der Erdungsplatten und ihrer elektrischen Verbindung im Nachhinein fast unmöglich ist, weil in der fertigen Yacht kein direkter Zugang mehr zur Außenschale möglich ist. Durch den Wasserballast wird diese Situation noch wesentlich verschlimmert. Deswegen wurden von der Werft bereits beim Laminieren der Außenschale die Erdungsplatten vorgesehen, wobei der ebene Übergang, die spätere Möglichkeit der Demontage und die wasserdichte Durchbolzung berücksichtigt wurden. Um möglichen Langzeitschäden im Bereich der Erdungsplatten vorzubeugen wurde als Harz des Außenrumpfes der wasserbeständigere Vinylester gewählt. Die blitzstromfähige Verbindung zum Mastfuß (Foto links)konnte ebenfalls während des Zusammenbaus der Schalen relativ einfach gemäß der Berechnungen durchgeführt werden. Während des Baues wurden die Einrichtungen des Blitzschutzes geprüft und auf ihre Werte hin gemessen.
Nach der ersten Wasserung wurden Dichtheit, Erdungswiderstand und blitzstromfähige Ableitung zur vollen Zufriedenheit geprüft bzw. gemessen. Der elektrische Widerstand der Primärableitung des Mastes zur Erdungsplatte, zum Beispiel, ergab bei einem Messstrom von 60A nur 0,006 Ohm, während in einer Norm (GL) ein wesentlich schlechterer Wert von 0,02W gefordert wird.


Trotzdem sind die bei niedrigen Strömen und Spannungen erhaltenen Messwerte nicht ausreichend um den gefahrlosen Transport des Blitzstromes zu gewährleisten. Dies zeigt das einfache Beispiel eines Mastfußes (Foto rechts), wo trotz guter elektrischer Widerstandswerte die Querschnitte am Übergang zu gering sind und mit Massebändern verbessert wurden. Übrigens der einzige Fall, wo Kupfergeflecht für den Blitzschutz verwendet wurde.

ad 2) Die Forderung nach Verhinderung gefährlicher Überspannungen an Bord kann durch leitende Verbindungen aller metallischer Teile leicht erfüllt werden. Sieht man einmal von der Schönheit ab, so kann dies auch bei der fertig gestellten Yacht im Nachhinein durch äußere elektrische Verbindungen von Reling, Bug- und Heckkorb etc. bewerkstelligt werden.

Beim eigenen Boot hat die Werft gleich während des Zusammenbaus der Schalen sämtliche Metallteile miteinander leitend verbunden. Dadurch ergeben sich äußerlich keine Anzeichen der im Inneren verborgenen internen Blitzschutzmaßnahmen. Trotz all dieser Vorkehrungen ist dennoch Vorsicht geboten und genügend Abstand zu den Metallteilen zu halten, wie eine einfache Abschätzung für die Primärableitung zeigt. Im Falle eines Blitzschlages fließen ca. 100.000A durch die Primärableitung, welche trotz des guten elektrischen Widerstandes von nur 0,006 Ohm einen Spannungsabfall von 600V erzeugen. Dieser bewirkt auf der ca. 3m langen Ableitung eine elektrische Feldstärke von 200mV/mm und ist bereits deutlich größer als die für den Menschen zuträgliche Feldstärke von 30mV/mm. In ähnlicher Weise kann von der elektrischen Verbindung der Metallteile nur eine Reduktion der auftretenden Feldstärken unter die Durchbruchsspannung von Luft erwartet werden, sodass unkontrollierte Blitzentladungen zwischen den Metallteilen verhindert werden. Erst der Abstand des Menschen von diesen Metallteilen schützt ihn vor auftretenden lebensgefährlichen Spannungen.

ad 3) Für den Schutz der Schiffselektrik und Navigationselektronik wurde bisher noch nicht viel getan, da das Schiff erst damit stückweise erweitert und ausgerüstet wird. Der Landanschluss wurde mit üblichen Überspannungsableitern ergänzt, auf das konsequente Abschirmen und Verdrillen aller Leitungen wird jedoch verzichtet, da dies aus Platzgründen nicht überall möglich ist. Eigentlich sollte man erwarten, dass Schiffselektronik, mit ihren für den maritimen Einsatz deutlich erhöhten Preisen, auch selbstverständlich an ihren Ein- und Ausgängen über einen entsprechenden Überspannungsschutz verfügen. Leider ist dies nicht immer der Fall. Im Zuge des weiteren Ausbaus des Schiffes werden sicherlich die Blitzschutzvorkehrungen ebenfalls mit einbezogen, aber für jede Komponente wird extra bewertet werden müssen, ob sie bereits von Haus aus genügend geschützt ist, ob eine Schutzschaltung zusätzlich gebaut wird, oder ob das erhöhte Risiko der Beschädigung bei Gewitter in Kauf genommen wird.

Resümee


Basierend auf der intensiven Beschäftigung mit dem Thema Blitzschutz auf Yachten als Physiker und der bei der Umsetzung beim eigenen Boot gemachten Erfahrungen kann zusammengefasst werden, dass geeignete Blitzschutzmaßnahmen auf Booten durchaus mit vertretbaren Aufwand ergriffen werden können, wenn diese rechtzeitig durchdacht und geplant werden. Vor allem die Installation eines gut geerdeten Blitzableiters sollte zur Standardausrüstung einer Yacht zählen, wo vor allem die Werften gefordert sind, dies von Haus aus in die Planung einer Yacht mit einzubeziehen, was keinen allzu großen Aufwand dann bedeutet. Selbst beim eigenen Boot, welches trailerbar, mit Wasserballast eher zu den schwierigeren Fällen zählt, konnte gezeigt werden, dass zusammen mit der Bereitschaft der Werft ohne allzu großen Aufwand geeignete Blitzschutzmaßnahmen ergriffen werden konnten. Um vieles leichter sollte dies bei der üblichen Monohull Fahrtenyacht mit Metallkiel durchführbar sein. Der Aufwand für den Blitzschutz liegt vielmehr in einer sorgfältigen Planung und konsequenten Umsetzung vieler Details.

Zuletzt die Frage nach der Garantie, dass die gesetzten Maßnahmen, Vorkehrungen und Investitionen auch tatsächlich die Gefährdung durch Blitzschlag verhindern. Die Antwort ist schlichtweg nein! Garantie kann keine gegeben werden. Aber nicht, weil die getroffenen Maßnahmen ungeeignet oder gar unsinnig sind, sondern weil die Frage selbst unsinnig ist. Wie bei allen Naturereignissen kann es keine Garantie und keine völlige Sicherheit geben. Die einzig vernünftige Frage wäre, inwieweit konnte das Risiko, durch Blitzschlag gefährdet zu werden, gesenkt werden? Hier bin ich überzeugt, dass aufgrund der physikalischen Bewertung und der Übereinstimmung mit gängigen Normen dem heutigen Stand des Wissens nach das Risiko minimiert wurde. Eine Bestätigung dieser Ansicht könnte nur durch eine umfangreiche Statistik von mit Blitzschutz ausgerüsteten Yachten und ungeschützten Schiffen erbracht werden. Ich selbst werde nicht den Beweis antreten und nun jedes mögliche Gewitter direkt ansteuern, denn dafür lebe ich zu gerne.

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