Roboter auf Tiefseeforschung
8. April 2014
Sven Hoog ist Ingenieur für Meerestechnik bei IMPAC Offshore Engineering in Hamburg. Er koordiniert ein Konsortium von Universitäten, Forschungseinrichtungen und Partnern aus der Industrie, die gemeinsam ein schwarmintelligentes unbemanntes U-Boot-System namens SMIS entwickeln.
Als System wird SMIS deshalb bezeichnet, weil es nicht nur aus den U-Booten allein besteht. "Dazu gehören mindestens zwei Unterwasserfahrzeuge, die die Mission durchführen, eine Bodenstation, die als Akkustation für die Unterwasserfahrzeuge dient und ein Überwasserfahrzeug, was als Relaisstation den Kontakt zum Schiff und über Satellit zur Landanlage erlaubt", erklärt Hoog.
Sollen die U-Boote ein größeres Gebiet kartographieren oder es etwa nach einer Blackbox absuchen, setzen die Forscher zunächst die Bodenstation ab. An der Wasseroberfläche bestimmt unterdessen das Überwasserfahrzeug seine Position mittels Satellitennavigation. Diese beiden Fixpunkte helfen dann den eigentlichen U-Booten bei der eigenen Positionsbestimmung, indem sie ständig Kontakt zu ihnen und untereinander halten - mittels akustischen Datensignalen.
"Dabei ist eine besonders große Reichweite unser Ziel", sagt Hoog, "Wir wollen in bis zu 6000 Meter Wassertiefe abtauchen, und auch die horizontale Entfernung zu der Bodenstation soll mindestens acht Kilometer ausmachen können."
Vor allem denkt Hoog bei den Aufgaben für das System an die marine Rohstoffgewinnung - etwa die Suche nach Manganknollen, die unter anderem wirtschaftlich interessanten Elemente wie Kupfer, Nickel und Kobalt enthalten. "Auch die Kabeltrassierung, zum Beispiel für Offshore Windparks, ist für uns interessant, aber auch das Suchen und Finden von Blackboxen - man kann sich Vieles vorstellen, was auch in solch großen Tiefen vorgenommen werden muss."
Die U-Boote nutzen bei der Orientierung Schwarmintelligenz. Das heißt, jedes weiß ständig, wo die anderen sind. So kommen sie sich bei der Suche nicht in die Quere, sondern unterstützen sich gegenseitig. Die Computertechnik dahinter stammt vom Karlsruhe Institut für Technologie. Eigentlich war sie einmal für Roboter gedacht, die sich im zweidimensionalen Raum bewegen. Aber die U-Boote brauchen drei Dimensionen.
Weil die U-Boote an der Bodenstation ihre Akkus aufladen können, werden sie später einmal über drei Tage ununterbrochen den Meeresboden absuchen können. Zum Wiederaufladen müssen sie aber keinen Stecker in eine Ladestation stecken: Der Ladevorgang funktioniert über Induktion, ähnlich wie das Laden einer elektrischen Zahnbürste. So bleibt alles verkapselt und kein Wasser kann in die Elektronik eindringen. Auch die gesammelten Daten übertragen die U-Boote auf diesem Wege bei jedem Besuch an die Bodenstation.
Zugegossen und druckneutral
Der Ingenieur Carl Thiede ist Vorsitzender der Firma ENITECH aus Bentwisch bei Rostock. Er baut die U-Boote und all ihre Komponenten zusammen. Seine Spezialität sind druckneutrale Systeme.
Das bedeutet, dass die Tiefsee-Roboter fast keine Druckgefäße mehr haben. Alle denkbaren Hohlräume um Elektronikkomponenten müssen dazu komplett mit einem geeigneten Elastomer ausgegossen werden.
"Dazu nehmen wir Industriesilikon", erklärt Thiede. Der Vorteil der Technik: Selbst bei extrem hohen Drucken verformen sich diese Materialien praktisch nicht. Gleichzeitig ist alles wasserdicht verpackt.
Ein Unterwasserfahrzeug, das nach diesem Prinzip gebaut ist, hat er auf der Hannover Messe ausgestellt: Ein fernsteuerbarer Roboter mit Kameras und Greifarm, der dazu gedacht ist, unter Wasser einzugreifen, falls doch mal etwas schief geht.
An diesem würfelförmigen U-Boot fällt dem Betrachter sofort das kleine Baumaß auf. "Wir wollten nicht ein riesiges Fahrzeug bauen, das mit fünf Roboterarmen ausgestattet ist", erklärt Thiede. Es sollte nur einen einfachen Greifmechanismus haben. Dennoch sollte es alles was ein ROV - also ein ferngesteuertes Fahrzeug - ausmacht auch besitzen".
Also verfügt es über mehrere optische Kameras, Sonar und akustische Kommunikation. "Wenn man dann nicht mehr braucht, kann man es auch so klein bauen wie möglich," sagt Thiede, "Wir brauchen nicht fünf Seecontainer, um es an den Einsatzort zu bringen, sondern uns reichen zwei Europaletten. Und dann kommt noch ein Computer dazu. Das wars."
Eine Seilwinde, die den Seegang ausgleicht
Das Leibnitz Institut für Ostseeforschung unterstützt SMIS dadurch, dass es die Erprobungen auf hoher See an Bord seiner Forschungsschiffe durchführt. Dazu hat der Forscher Johann Ruickoldt sich etwas ganz besonderes ausgedacht: Denn alle U-Boote und anderen Unterwasser-Geräte - zum Beispiel Forschungssonden - müssen immer auch an einer Seilwinde ins Wasser gelassen und oft dort auf einer bestimmten Tiefe festgehalten werden.
In der Praxis ist das aber gar nicht leicht, denn das Schiff schwankt durch die Wellen hin und her. Dadurch wippt das Seil, an dem die Sonde oder das U-Boot hängt, auf und ab. Das stört vor allem dann, wenn man Proben nehmen oder Messungen durchführen möchte.
"Unsere Lösung ist diese Winde: Sie kompensiert uns den Seegangshub des Schiffes", erklärt Ruickoldt." Die Winde gibt also die Schwankungsbewegungen des Schiffes mit umgekehrtem Vorzeichen auf das Kabel." Das heißt, der Motor, der die Winde antreibt, dreht sich mit derselben Frequenz wie der Seegang, vor und zurück. Alles gesteuert durch einen hochpräzisen Sensor im Schiff.