Mit Weltraumtechnik auf Tauchstation

Mit Weltraumtechnik auf Tauchstation

Mittwoch, 21. November 2018

Bis heute ist die Tiefsee, der absolut dunkle Meeresbereich ab 200 m Wassertiefe, weit weniger erforscht als die Mars-Oberfläche. Bizarre Lebewesen, ungewöhnliche Ökosysteme und gewaltige Mengen an Bodenschätzen haben jedoch das Interesse der Forscher geweckt. Ferngesteuerte und autonome U-Boote sollen jetzt die Meere erkunden - mit modernen Roboter-Technologien und Know-how aus der Raumfahrt.

Souverän bewegt sich Tramper bei abso luter Dunkelheit über den Meeresboden. Hier in der Framstraße zwischen Grönland und Spitzbergen, 2.500 m unter der zugefrorenen Wasseroberfläche, beträgt die Temperatur minus 0,8 °C. Dass das Wasser hier unten flüssig ist, liegt am enormen Druck: etwa das 250fache des Luftdrucks an der Erdoberfläche. Tramper ist ein autonomes Raupenfahrzeug, ein sogenanntes AUV (Autonomous Underwater Vehicle), das vorher programmierte Aufgaben selbstständig erledigt. Einmal pro Woche legt der Roboter ein paar Meter zurück, misst den Sauerstoffgehalt am Meeresboden und geht dann wieder in den Schlafmodus, um Energie zu sparen. Auf diese Weise reichen seine Batterien für ein Jahr.

Auf dem Forschungsschiff Polarstern testeten Weltraum- und Tiefseeforscher im August 2017 ihre neuen Technologien auf einer Arktis-Expedition.

Im Sommer, wenn die Framstraße eisfrei ist, nimmt die Polarstern, das Forschungsschiff des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, Tramper auf, um dessen gesammelte Daten auszuwerten. Sie sollen Aufschluss darüber geben, wie viele Organismen es in 2.500 m Tiefe gibt und wie sie fernab vom Sonnenlicht überleben können. Tramper gehört zu einer neuen Generation von Unterwassergeräten, mit der Ozeanologen die Tiefsee erforschen. Denn über Geologie und Biologie dieses Teils der Erde wissen wir bis heute noch immer so gut wie nichts. Dabei umfasst die Tiefsee das Doppelte der gesamten Landoberfläche und ist nur etwa halb so gut erforscht, wie etwa Mond, Mars oder Venus.

Dabei bringt die Tiefseeforschung auch praktischen Nutzen: Die Kenntnis der topologischen Details des Meeresbodens könnte etwa helfen, Tsunamis vorauszusagen. Zudem vermuten Wissenschaftler unter Wasser Substanzen für völlig neue Arzneimittel oder schätzen das Gesamtgewicht von aus wertvollen Metallen bestehenden Manganknollen allein im Pazifk auf mehrere 100 Mrd. t. Außerdem könnten Tiefseeströmungen das Klima an der Erdoberfläche viel stärker beeinflussen als bisher angenommen. Gründe genug also, um in die Tiefe zu gehen. Deshalb hat die gemeinnützige X-Prize Foundation in Los Angeles Ende 2015 den Shell Ocean Discovery XPRIZE ausgeschrieben: Einen globalen Forschungswettbewerb zur Kartografierung der Tiefsee, mit dem die Grundlagen für eine erfolgreiche Tiefseeforschung geschaffen werden sollen. Denn bislang sind nur 5 % des Meeresbodens hochauflösend kartiert. Anfang 2018 qualifzierten sich neun Teams aus den USA, Deutschland, Großbritannien, Japan, Portugal und der Schweiz für die Endrunde, in der in 24 Stunden und 4.000 m Tiefe ein 500 km² großes Gebiet vermessen werden muss. Dass alle Teams dabei auf technisch ähnliche Lösungen setzen, zeigt die Richtung, die die Entdeckung der Tiefsee in den nächsten Jahren einschlagen wird: Kostengünstige Schwärme vielseitig einsetzbarer, interagierender Mini-AUVs  sollen unterstützt von unbemannten Robotern oder Drohnen operieren. Dazu müssen Technologien wie Multibeam-Sonar, Unterwassernavigation sowie Datenübertragungsund Fernsteuerungssysteme miteinander gekoppelt werden. Wie das konkret funktionieren kann, zeigt das Studententeam Blue Devil Ocean Engineering der Duke University aus North Carolina: Lastendrohnen werfen Sonarkapseln in den Ozean ab, die beim Sinken eine 3D-Kartierung durchführen. 

Der VIATOR wurde im Rahmen der ROBEX-Allianz entwickelt und soll künftig in bis zu 6.000 m Tiefe Messarbeiten durchführen.

Beim Wiederauftauchen werden die Kapseln von den Drohnen geortet und eingesammelt. Viele andere Tiefseeaktionen erfordern schwereres Gerät, etwa Reparaturen und Wartungsarbeiten an Bohrinseln und Pipelines, an den Fundamenten von Meereswindparks und Gezeitenkraftwerken oder bei der Demontage von Schiffswracks. Der Einsatz von menschlichen Tauchern wäre hier teuer, riskant und ist ohnehin nur bis etwa 500 m Tiefe möglich. Abhilfe könnte in Zukunft der Tiefseeroboter DexROV schaffen, ein Entwicklungsprojekt der Europäischen Union. Dex steht für dexterous (fngerfertig) und ROV für Remotely Operated Vehicle, also für ein Fahrzeug, das über ein Kabel vom Mutterschiff aus ferngesteuert wird.

Per Satellitentelemetrie kommuniziert DexROV mit einer Zentrale an Land, die Tausende Kilometer vom Einsatzort entfernt sein kann. Mit den Daten, die DexROV per 3D-Sonar und Stereokameras von seiner Umgebung aufnimmt, wird im Onshore-Kontrollzentrum zunächst eine virtuelle Echtzeit-Simulationsumgebung erzeugt, in der alle Aktionen des Roboters optimiert und dann erst an ihn übermittelt werden. Die Verzögerungszeit überbrückt der Roboter mithilfe von Algorithmen, die ihm Teilautonomie verleihen. Ein speziell entwickelter DreiFinger-Manipulator von DexROV erreicht die Geschicklichkeit einer menschlichen Hand. Mittels eines Exoskeletts kann ein Experte in der Zentrale damit die diffzilen Aktionen eines virtuellen Tauchers ausführen, etwa das Lösen verrosteter Muttern. Die fnale Erprobung fndet zurzeit im Mittelmeer vor Marseille in 1.300 m Tiefe statt, während das Kontrollzentrum in Brüssel sitzt.

Ein weiteres Forschungsprojekt ist die ROBEX-Allianz (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) der HelmholtzGemeinschaft Deutscher Forschungszentren, die weltweit einmalig sein dürfte. Der eingangs vorgestellte autonome Roboter Tramper ist eines der Ergebnisse dieses ungewöhnlichen Gemeinschaftsprojekts. „Die Allianz entstand 2012 eher durch Zufall“, erinnert sich die wissenschaftliche Koordinatorin von ROBEX, Dipl.-Phys. Martina Wilde, vom federführenden AWI. „Den Gutachtern fiel auf, dass zwei eingereichte Projektanträge nahezu gleichlautende Titel unter dem Motto ‚Entwicklung autonomer robotischer Infrastrukturen, die unter extremen Bedingungen arbeiten‘ hatten.“ Die Anträge kamen aus Disziplinen, die auf den ersten Blick unterschiedlicher nicht sein können: aus der Tiefsee- und der Weltraumforschung. Die Gutachter brachten die Forscher an einen Tisch und gaben ihnen das erste Jahr der insgesamt fünfjährigen Allianz Zeit, um Gemeinsamkeiten auszuloten und ein Kooperationsprojekt aufzulegen. „Das ging anfangs nicht ohne Reibungsverluste“, bekennt Wilde, „aber schon nach wenigen gemeinsamen Meetings war allen klar, dass man von den Erfahrungen der anderen proftieren kann.“ So bekamen die Tiefseeforscher einen schnellen Zugang zur komplexen Steuerungs-Software autonomer Systeme, die die Weltraumwissenschaftler bereits entwickelt hatten. Die Raumfahrtexperten hingegen übernahmen von der Meeresforschung modulare Bauprinzipien und die Strategie kürzerer Projektzyklen. 16 deutsche Einrichtungen mit 120 Forschern waren an ROBEX beteiligt. Die Projektkosten betrugen 30 Mio. €. Die konkrete Entwicklungsarbeit an den Teilprojekten fand in sogenannten Design-Teams statt, deren Mitglieder im ständigen Kontakt standen.

Roboter-Garage am Meeresboden

Zweimal im Jahr trafen sie sich zu großen Workshops, um ihre Arbeit zu koordinieren. Das beeindruckende Ergebnis sind vier Raumfahrtsysteme und sechs Tiefseeroboter. Wie fruchtbar die Symbiose von Weltraum und Tiefsee sein kann, belegt vor allem das folgende System: Wie bei einer Weltraummission wird ein Lander am Meeresboden abgesetzt, der als eine Art Garage für einen mobilen Rover dient. Dieser geht von hier aus auf Erkundungsfahrt und fndet mithilfe von Navigations-Software und -markern aus der Raumfahrt selbstständig zurück. An Bord des Rovers sind mehrere Messgeräte, etwa Sensoren für den Salzgehalt und für Chlorophyll. Entsprechend hoch ist der Stromverbrauch auf jeder Fahrt, sodass der Rover regelmäßig in seine Garage zurückkehrt, wo er seinen Akku per Induktion auflädt und die Messdaten der letzten Fahrt an die Meeresoberfläche überträgt. Um sich zu orientieren, verfügt das Kettenfahrzeug über Stereokamera und Linienscanner, mit denen er ein 3D-Bild seiner Umgebung erzeugt und zum Beispiel Felsbrocken ausweichen kann.

„So unterschiedlich die Hardware für Tiefsee und Weltraum ist“, resümiert Martina Wilde, „die Anforderungen an die Intelligenz der robotischen Systeme sind weitgehend identisch. Die schnelle Entwicklung dieser gemeinsam genutzten Software ist wohl der größte Erfolg von ROBEX.“ Mitte 2017 demonstrierten die Design-Teams ihre Geräte im Praxistest – im Nordatlantik und
in einer Mond-Analog-Landschaft auf dem Ätna. Die überzeugenden Ergebnisse veranlassten die Helmholtz-Gemeinschaft, Anfang 2018 das dreijährige Nachfolgeprojekt ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies) zu starten. „Jetzt geht es darum, die einzelnen robotischen Systeme zu vernetzen, indem sie miteinander kommunizieren und sich gegenseitig
unterstützen“, erklärt Wilde die Ziele. Erste unternehmerische Ausgründungen belegen ebenfalls den Erfolg von ROBEX. Die Anzahl der Spin-offs aus der Tiefseeforschung wird weiter steigen, je mehr Geheimnisse der Tiefsee entlockt werden. Auch der Schulterschluss mit der Weltraumforschung wird enger werden: Beide Bereiche interessiert die alles dominierende Frage, wie sich organisches Leben unter Extrembedingungen organisiert. Doch bis gemeinsame Forscherteams mithilfe der nächsten Generationen von AUVs nach Leben in Ozeanen auf fremden Planeten fahnden können, dürften noch etliche Jahrzehnte vergehen.