Wie funktioniert ein Hydrofoil? Auftrieb, Tempo und Foils einfach erklärt

Das Wichtigste in Kürze

• Ein Hydrofoil ist ein Tragflügel unter Wasser. Das strömende Wasser fließt über den Flügel, der Flügel lenkt es nach unten, und das Wasser drückt den Flügel nach oben.
• Der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: doppeltes Tempo bringt vierfachen Auftrieb. Darum hebt ein Foil ein Board erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit aus dem Wasser.
• Flügelgröße, Flügelform und der Winkel des Flügels zum Wasser verändern alle, wie viel Auftrieb du bekommst.
• Die beliebte Erklärung mit der "gleichen Laufzeit" ist falsch. Das sagt sogar die NASA.
• Beim eFoil liefert ein Motor das Tempo. Du fliegst also ohne Wellen, Wind oder Boot.

Du hast bestimmt schon ein Foilboard über dem Wasser gleiten sehen und dich gefragt, was es da oben hält. Die Antwort ist weder Zauberei noch kompliziert. Es ist dieselbe Physik, die ein Flugzeug in der Luft hält, nur eben im Wasser.

Ein Hydrofoil ist ein Tragflügel, der unter Wasser arbeitet: Bewegt er sich schnell genug durchs Wasser, erzeugt er eine nach oben gerichtete Kraft, den Auftrieb, die Board, Boot oder Fahrer über die Oberfläche hebt. In diesem Artikel erfährst du, woher diese Kraft kommt, welche Faktoren sie bestimmen und was das für deinen eFoil bedeutet.

Nur Mast und Flügel bleiben im Wasser. Das Board selbst schwebt über der Oberfläche.

Was ist ein Hydrofoil?

Ein Hydrofoil ist ein Flügel, dessen Form so gewählt ist, dass er Auftrieb erzeugt, wenn Wasser an ihm vorbeiströmt. Befestigst du ihn mit einem Mast an einem Boot oder Board, hebt sich der Rumpf ab einer gewissen Geschwindigkeit aus dem Wasser. Weniger Rumpf im Wasser bedeutet weniger Widerstand. Die Fahrt wird ruhiger und effizienter.

Ingenieure kennen zwei Grundbauarten, wie der Überblick zu Tragflügelbooten auf Wikipedia beschreibt:

• Oberflächendurchdringende Foils sind V-förmig. Ein Teil des V bleibt über Wasser, deshalb passt sich der Auftrieb von selbst an, wenn das Boot steigt oder sinkt.
• Vollständig getauchte Foils haben die Form eines umgedrehten T. Sie bleiben komplett unter Wasser und werden von Wellen weniger gestört, stabilisieren sich aber nicht selbst. Jemand oder etwas muss sie steuern.

Foilboards, foilende Segelboote und eFoils nutzen die zweite Bauart. Deshalb fühlt sich ein Foilboard so anders an als ein normales Board: Du steuerst den Auftrieb selbst, mit Gewicht und Füßen.

Wie erzeugt ein Hydrofoil Auftrieb?

Ein Foil erzeugt Auftrieb, indem es Wasser nach unten drückt. Der Flügel ist leicht gegen die Strömung geneigt und oben gewölbt, daher lenkt er das vorbeiströmende Wasser nach unten. Nach dem dritten Newtonschen Gesetz gilt: Drückt der Flügel Wasser nach unten, drückt das Wasser den Flügel nach oben. Die Druckunterschiede rund um den Flügel sind das sichtbare Ergebnis dieser Umlenkung.

Stell dir vor, du hältst die Hand aus dem Autofenster. Neigst du sie leicht nach oben, drückt die Luft sie hoch. Ein Foil macht dasselbe, nur mit viel besserer Form und einem viel dichteren Medium: Wasser ist etwa 800-mal dichter als Luft. Deshalb kann ein Foil in der Größe eines kleinen Tabletts einen ganzen Menschen tragen.

Wo viele Erklärungen danebenliegen: Oft liest man, das Wasser müsse über die gewölbte Oberseite des Flügels einen längeren Weg zurücklegen und deshalb schneller sein, um das Wasser darunter "einzuholen". Diese Idee der "gleichen Laufzeit" ist ein Mythos. Die NASA weist auf ihrer Seite zur falschen Auftriebstheorie darauf hin, dass auch ein flacher oder symmetrischer Flügel Auftrieb erzeugt und dass das Wasser oben viel schneller strömt, als diese Theorie verlangen würde.

Druck und Strömungsumlenkung sind zwei Sichtweisen auf dasselbe Ereignis. Das Wasser über dem Flügel wird schneller und hat weniger Druck, das Wasser darunter hat mehr Druck, und der Flügel wird von der Hochdruck- zur Niederdruckseite gedrückt. Der MIT-Bericht zur Funktionsweise eines Hydrofoils zeigt, wie beide Erklärungen zusammenpassen.

Was bestimmt, wie viel Auftrieb ein Foil erzeugt?

Vier Dinge entscheiden über den Auftrieb eines Foils: wie schnell es sich bewegt, wie groß der Flügel ist, wie steil er gegen das Wasser geneigt ist und wie er geformt ist. Das Tempo zählt am meisten, denn der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Verdoppelst du das Tempo, vervierfacht sich der Auftrieb.

Die Neigung hat einen Idealbereich. Laut MIT-Bericht arbeitet ein Foil bei einem Anstellwinkel von etwa drei bis vier Grad am effizientesten und erzeugt dabei rund 20- bis 25-mal mehr Auftrieb als Widerstand. Neigst du es stärker, etwa auf 15 Grad, löst sich die Strömung vom Flügel ab. Das Foil verliert dann Auftrieb, ein Zustand, den man Strömungsabriss (Stall) nennt.

Warum zählt das Tempo so stark?

Ein kleines Beispiel zeigt es. Willst du denselben Auftrieb bei halbem Tempo, brauchst du die vierfache Flügelfläche. Umgekehrt braucht ein Flügel mit knapp weniger als der halben Fläche, etwa 900 statt 2.000 cm², rund 50 Prozent mehr Tempo, um dasselbe Gewicht zu tragen. Darum passen große Flügel zu Einsteigern und kleine zu schnellen, erfahrenen Fahrern. Die Wahl erklären wir in unserem Ratgeber zu Front-Wing-Größen.

Warum braucht ein Foil Tempo, bevor es abhebt?

Ein Foil braucht Tempo, weil der Auftrieb null ist, wenn sich das Wasser nicht bewegt. Mit steigender Geschwindigkeit wächst der Auftrieb, bis er dem Gewicht von Fahrer und Board entspricht. In diesem Moment verlässt das Board das Wasser. Beim eFoil passiert dieses Abheben bei etwa 20 km/h.

Unterhalb der Abhebegeschwindigkeit liegt das Board im Wasser wie jedes andere. In der Übergangsphase ist der Widerstand des Rumpfs am höchsten, und das Foil trägt erst einen Teil des Gewichts. Sobald der Rumpf das Wasser verlässt, sinkt der Widerstand stark und die Fahrt wird weich. Das ist der Moment, den Fahrer als "Fliegen" beschreiben. Mehr zu Geschwindigkeit und Abheben findest du in unserem eFoil-Speed-Ratgeber.

Bei einem klassischen Foilboard kommt das Tempo von einer Welle, einem Kite, einem Wing oder einem Zugboot. Alle brauchen Bedingungen, die du nicht kontrollieren kannst. Ein Motor macht dich davon unabhängig.

Eine kurze Geschichte des Hydrofoils

Das Hydrofoil ist mehr als 150 Jahre alt. Das erste bekannte Patent für auftriebserzeugende, geneigte Flächen unter einem Boot stammt von 1869, und der italienische Erfinder Enrico Forlanini arbeitete ab 1898 an Tragflügelbooten und ließ seine Ideen in Großbritannien und den USA patentieren. Beides steht auf der Hydrofoil-Seite von Wikipedia.

• 1919: Alexander Graham Bells Tragflügelboot HD-4 stellte mit 114 km/h (71 mph) einen Geschwindigkeitsweltrekord für Wasserfahrzeuge auf. Der Rekord hielt zwei Jahrzehnte.
• 1952: Das erste kommerzielle Tragflügelboot, die PT10 "Freccia d'Oro", ging in Dienst. Tragflügelfähren fuhren danach an vielen Küsten und auf vielen Seen.
• Heute: Die meisten Fährlinien setzen auf Katamarane, die mehr transportieren und mit rauer See besser zurechtkommen. Auf manchen Strecken fahren weiterhin Tragflügelfähren, und im Segelsport sind Foils wieder ganz vorn: Die Boote des America's Cup 2013 und 2017 flogen auf Foils.
• Seit den 2010er-Jahren: Foilboards, Kite-Foils, Wingfoils und eFoils haben die Technik in den Wassersport für jedermann gebracht.

Wie funktioniert das Hydrofoil-Prinzip beim eFoil?

Ein eFoil nutzt dieselbe Physik wie jedes andere Hydrofoil, mit einer Ergänzung: Ein Motor im Mast treibt das Board an, sodass das Foil auch auf glattem Wasser die Abhebegeschwindigkeit erreicht. Der vordere Flügel trägt den Fahrer, der kleine hintere Flügel, der Stabilizer, hält das Board in der Waage. Du verlagerst dein Gewicht, um den Anstellwinkel zu steuern.

Ein Voll-Carbon-Front-Wing. Größe und Form bestimmen, wie früh und wie ruhig du abhebst.

So teilen sich die Teile eines Aerofoils eFoils die Arbeit:

Front Wing und Stabilizer werden direkt am Antrieb im Mast verschraubt. So bleibt die Unterwasserform kompakt, und du kannst die Flügel tauschen, um das Fahrgefühl zu verändern.

Weil ein eFoil ein vollständig getauchtes Foil ist, stabilisiert es sich nicht selbst. Das Board reagiert auf dein Gewicht, deine Füße und den Motor. Lehnst du dich nach vorn, kippt der vordere Flügel nach unten und du sinkst ein Stück. Lehnst du dich zurück, kippt er nach oben und du steigst. Kleine Bewegungen reichen, und der Stabilizer beruhigt das ganze System. Wie du deine Flughöhe steuerst, lernst du in unserem Ratgeber zur Flughöhenkontrolle.

Sobald das Foil das Gewicht trägt, gleitet das Board fast lautlos über die Oberfläche.

Was bedeutet das Foil für deine Fahrt?

Für deine Fahrt entscheidet das Foil, wie früh du abhebst, wie stabil du gleitest und wie schnell du fahren kannst. Ein großer, breiter Flügel hebt früh ab und verzeiht Fehler. Ein kleiner Flügel ist schneller und wendiger, braucht aber mehr Tempo zum Fliegen. Wähle deinen Flügel nach deinem Können, nicht nach der Höchstgeschwindigkeit.

Drei Beispiele aus unserem Flügelprogramm, mit der Fläche des Front Wings:

Zu jedem Front Wing gehört ein passender Stabilizer, wähle sie also als Set. Du weißt nicht, welches Board und welcher Flügel zu dir passen? Probiere das Board-Match-Quiz oder lies unseren Ratgeber zum eFoil für Einsteiger. Wenn du das Prinzip live erleben möchtest, kannst du ein Aerofoils-Board in deiner Nähe testen. Die komplette Schritt-für-Schritt-Anleitung findest du in unserem Ratgeber eFoilen lernen.

Wo stößt ein Foil an seine Grenzen?

Ein Foil funktioniert gut in einem Fenster aus Tempo und Tiefe. Außerhalb davon kann dreierlei schiefgehen: Der Flügel reißt ab, er durchbricht die Oberfläche, oder bei extremem Tempo kavitiert das Wasser. Für Fahrer sind nur die ersten beiden Fälle relevant, und bei unseren Inflatables wird der zweite sogar zu einem Sicherheitsmerkmal.

• Strömungsabriss (Stall): Ein zu steiler Winkel lässt die Strömung vom Flügel abreißen, und der Auftrieb sinkt. In der Praxis vermeidest du das, indem du die Nasenposition ruhig hältst.
• Durchbrechen der Oberfläche (Breaching): Kommt das Foil der Oberfläche zu nah oder verlässt es das Wasser, fehlt ihm das Wasser darüber. Der Auftrieb bricht zusammen und das Board fällt. Der MIT-Bericht nennt das Durchbrechen der Oberfläche als eines der Hauptrisiken für Hydrofoils.
• Kavitation: Bei sehr hohem Tempo bilden sich Dampfblasen am Flügel und stören den Auftrieb. Laut Wikipedia beginnt das ab etwa 110 km/h (60 Knoten), weit jenseits dessen, was ein eFoil erreicht.

Wie hält dich das Anti-Breach-System auf einer gleichmäßigen Höhe?

Das Anti-Breach-System (ABS) nutzt gezielt Luft, um ein Durchbrechen der Oberfläche zu stoppen, bevor es außer Kontrolle gerät. Unsere Inflatables, das Hyperfly und das Airfly, werden mit einem 60-cm-Mast samt ABS geliefert, der Einsteigern die ersten Flüge so einfach und fehlerverzeihend wie möglich machen soll.

So funktioniert es: Der Mast hat oberhalb der Wasserlinie des Antriebs eine Luftöffnung. Solange sie unter Wasser bleibt, passiert nichts. Steigst du so hoch, dass die Öffnung aus dem Wasser kommt, saugt der Jet-Antrieb Luft an. Die Luftblasen stören die Strömung im Jet ähnlich wie bei der Kavitation, und der Schub lässt nach. Das Board sinkt dann von selbst wieder ab, und du bleibst ungefähr auf derselben Flughöhe. Das funktioniert allein durch Physik, ganz ohne Elektronik. Mehr zur Höhenkontrolle findest du in unserem Ratgeber zur Flughöhenkontrolle.