Hybrid Lacustrine Propulsion System Using a Hydrodynamic Paddle Wheel for Sustainable Passenger and Cargo Transport

Hybrid Lacustrine Propulsion System Using a Hydrodynamic Paddle Wheel for Sustainable Passenger and Cargo TransportAbstractThis work presents an innovative propulsion system for lacustrine transport vessels based on a large-diameter hydrodynamic paddle wheel, rear-mounted as a coupled propulsion unit. The system employs dual-surface paddles with differentiated geometry to optimize hydraulic thrust. It integrates solar energy to power hydraulic pumps during daytime operation and a low-power internal combustion auxiliary engine for nighttime or backup use, forming a hybrid, efficient, and environmentally sustainable solution. The proposal is specifically designed for large lakes and calm inland waters, where energy efficiency, environmental protection, and operational reliability are critical.1. IntroductionLacustrine transport of people and goods remains essential in many regions worldwide. However, conventional propeller-based propulsion systems present several disadvantages, including:significant disturbance of lakebed sediments,increased risk to aquatic fauna,high energy consumption,complex maintenance requirements.Historically, paddle wheel propulsion systems demonstrated high reliability in calm waters. This proposal revisits that concept, incorporating modern hydrodynamic design, lightweight materials, and renewable energy technologies, resulting in a scientifically sound and practical modern solution.2. Description of the Proposed System2.1 General configurationMain vessel with a hull optimized for medium-to-low operating speeds.Rear-coupled propulsion unit (hydraulic trailer) containing:a large-diameter paddle wheel,a structural axle,hydraulic pumping systems,a hybrid energy system.2.2 Hydrodynamic paddle wheelDiameter and width comparable to the vessel beam to maximize thrust area.Dual-function paddle blades:smooth leading face to reduce resistance upon water entry,concave trailing face acting as a receptacle, which fills with water during the descending rotation phase, increasing thrust through momentum transfer.Continuous, slow, and stable rotational motion.3. Hybrid energy system3.1 Daytime operationSolar panels integrated into the vessel structure.Direct electrical supply to hydraulic pumps.Zero local emissions.Quiet operation suitable for sensitive environments.3.2 Nighttime or backup operationLow-power internal combustion engine.Used exclusively to maintain hydraulic pressure and wheel rotation.Significantly reduced fuel consumption compared to conventional propeller-driven vessels.4. Scientific foundation4.1 HydrodynamicsMomentum transfer via volumetric water displacement.High efficiency at low-speed regimes.Reduced cavitation compared to propeller systems.4.2 Energy efficiencyStable torque delivery without power spikes.Optimized performance through large diameter and low angular velocity.Well suited for repetitive transport routes.4.3 Environmental impactMinimal sediment resuspension.Lower risk to aquatic life.Significant reduction in underwater and airborne noise.Suitable for protected areas and ecological reserves.5. Main applicationsPassenger transportLacustrine ferries.Ecotourism vessels.Inter-community transport along lake shores.Cargo transportAgricultural products.Construction materials.Low-impact regional logistics.6. Comparative advantagesReduced mechanical complexity.Simplified maintenance.High durability and operational lifespan.Modular and scalable design.Alignment with global transport decarbonization strategies.7. Feasibility and scalabilityThe proposed system:can be implemented as a pilot project on large lakes,allows modular scaling,can be adapted to diverse regulatory frameworks,integrates with existing port and transport infrastructure.8. ConclusionsThe hybrid lacustrine propulsion system using a hydrodynamic paddle wheel represents a technically viable, environmentally responsible, and energy-efficient alternative for passenger and cargo transport in inland waters. By combining historically proven principles with modern engineering and renewable energy integration, this proposal offers a concrete and implementable solution to current sustainability and mobility challenges. Sistema de Propulsión Lacustre Híbrido mediante Rueda Hidrodinámica de Paletas para Transporte Sostenible de Personas y CargaResumenSe presenta un sistema innovador de propulsión para embarcaciones de transporte lacustre basado en una rueda hidrodinámica de gran diámetro, acoplada en la popa de la embarcación, que utiliza paletas de doble cara con geometría diferenciada para optimizar el empuje hidráulico. El sistema integra energía solar para el accionamiento de bombas hidráulicas durante el día y un motor auxiliar de combustión interna de baja potencia para operación nocturna o de respaldo, constituyendo una solución híbrida, eficiente y ambientalmente sostenible. La propuesta está orientada a grandes lagos y aguas interiores tranquilas, donde se priorizan la eficiencia energética, la reducción de impactos ambientales y la confiabilidad operativa.1. IntroducciónEl transporte lacustre de personas y carga continúa siendo esencial en numerosas regiones del mundo. Sin embargo, los sistemas de propulsión convencionales basados en hélices generan impactos negativos como:elevada perturbación del fondo acuático,riesgo para fauna,consumo energético significativo,mantenimiento complejo.Históricamente, las ruedas de paletas demostraron una alta fiabilidad en aguas tranquilas. Esta propuesta retoma dicho principio, incorporando diseño hidrodinámico moderno, materiales livianos y energías renovables, dando lugar a un sistema actualizado y científicamente viable.2. Descripción del sistema propuesto2.1 Configuración generalEmbarcación principal con casco optimizado para velocidad media-baja.Unidad acoplada posterior (remolque hidráulico) que contiene:rueda de gran diámetro,eje estructural,sistema de bombas hidráulicas,sistema energético híbrido.2.2 Rueda hidrodinámica de paletasDiámetro y ancho equivalentes al casco para maximizar área de empuje.Paletas de doble cara funcional:cara frontal lisa para minimizar resistencia al ingresar al agua,cara posterior cóncava tipo receptáculo, que se carga de agua durante la fase descendente, aumentando el impulso por transferencia de momento.Rotación lenta, continua y estable.3. Sistema energético híbrido3.1 Operación diurnaPaneles solares integrados en cubierta.Alimentación eléctrica directa a bombas hidráulicas.Emisiones locales nulas.Operación silenciosa.3.2 Operación nocturna o de respaldoMotor de combustión interna de baja potencia.Uso exclusivamente para mantener presión hidráulica y rotación.Consumo reducido frente a sistemas de hélice tradicionales.4. Fundamentación científica4.1 HidrodinámicaTransferencia de cantidad de movimiento mediante empuje volumétrico.Mayor eficiencia en regímenes de baja velocidad.Reducción de cavitación respecto a hélices.4.2 Eficiencia energéticaAlto rendimiento en trayectos repetitivos.Par constante, sin picos de potencia.Optimización mediante diámetro grande y baja velocidad angular.4.3 Impacto ambientalMínima remoción de sedimentos.Menor riesgo para fauna acuática.Reducción significativa de contaminación acústica.Adecuado para áreas protegidas y reservas naturales.5. Aplicaciones principalesTransporte de personasFerries lacustres.Transporte turístico ecológico.Conexión entre comunidades ribereñas.Transporte de cargaProductos agrícolas.Materiales de construcción.Logística regional de bajo impacto.6. Ventajas comparativasMenor complejidad mecánica.Fácil mantenimiento.Alta durabilidad.Adaptable a distintas escalas.Compatible con políticas de descarbonización del transporte.7. Viabilidad y escalabilidadEl sistema puede:implementarse como proyecto piloto en grandes lagos,escalarse modularmente,adaptarse a distintos marcos regulatorios,integrarse con infraestructuras existentes.8. ConclusionesEl sistema de propulsión lacustre híbrido mediante rueda hidrodinámica representa una alternativa técnicamente viable, ambientalmente responsable y energéticamente eficiente para el transporte de personas y carga en aguas interiores. La combinación de principios históricos probados con tecnologías modernas posiciona esta propuesta como una solución concreta frente a los desafíos actuales de sostenibilidad y movilidad.Technical Annex – Thrust Analysis and Scalability of the Coupled Hydraulic Wheel Propulsion System1. IntroductionThis annex complements the main proposal by presenting, from a physical and basic engineering perspective, the feasibility of a hybrid propulsion system based on a coupled hydraulic wheel, evaluating its thrust capacity, scalability, and applicable vessel size range.The analysis focuses on calm waters (lakes, low-current rivers, navigable canals), where hydrodynamic efficiency, mechanical robustness, and low environmental impact are prioritized over high speed.2. Physical operating principleThe system is based on momentum transfer to water, achieved through:Blades that accelerate a mass of water backwardThrust generation by reaction (Newton’s Third Law)Reduced cavitation and violent turbulence compared to propellersThe thrust force can be approximated by: F \approx \dot{m} \cdot \Delta v Where:is the mass flow rate of water displaced per secondis the velocity change induced in the water3. Base calculation model (order-of-magnitude)Standard wheel parametersDiameter: 4 mWidth: 4–5 mNumber of blades: 12–16Simultaneously effective blades: 3Water flow rate displaced: ≈ 1.2 m³/sWater density: 1000 kg/m³Estimated thrust F \approx 1200 \, k