Ein Jahr im Tauchgang

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatz­zeit am arktischen Tiefsee­boden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraum­forscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Real­bedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umwelt­bedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der Biogeo­chemiker hat den Tiefsee-Crawler gemeinsam mit AWI-Ingenieuren entwickelt und auf einer Polarstern-Expedition am 11. Juli 2016 im Arktischen Ozean ausgebracht. Für den Fall, dass die Wissenschaftler das Gerät nicht direkt von Bord akustisch ansteuern und aufsteigen lassen können, ist das ROV Kiel 6000 vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozean­forschung Kiel mit an Bord. Das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug kann, im Notfall, den Ballastabwurf mechanisch auslösen und der TRAMPER kommt an die Wasser­oberfläche. Einmal aufgetaucht, kann er per GPS und UKW-Peilsender geortet werden und die Polarstern fährt dann zur entsprechenden Position, um den TRAMPER zu bergen.

Wenzhöfers Gedanken kreisen stärker um den Datenschatz, den er sich erhofft: „Ich bin sehr gespannt, ob TRAMPER alle seine vorprogrammierten Messungen wie geplant durchgeführt hat“, sagt der wissenschaftliche Leiter der Polarstern-Expedition und Biogeo­chemiker in der Helmholtz-Max-Planck-Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie. „Wir haben in der ROBEX-Allianz natürlich bei der Berechnung des Strom­bedarfs mit einbezogen, dass der Unterwasser­roboter ein Jahr lang, ohne jeglichen Kontakt, in rund 2.500 Metern Tiefe extremen Temperaturen von etwa minus 0,8 Grad Celsius ausgesetzt ist. Da einen solchen Einsatz jedoch vor uns in der Arktis noch niemand gewagt hat, besteht ein Risiko, dass irgendetwas nicht so geklappt hat, wie vorher berechnet“, so Wenzhöfer.

Der wissenschaftliche Auftrag von TRAMPER ist die kontinuierliche Messung der Sauerstoff­zehrung am Meeres­boden. Jeden Montag fährt er dafür 15 Meter über den Meeres­grund, um eine ungestörte Fläche zu erreichen. Eine Bilderkennungs­kamera prüft dort die Oberfläche: Sollten Steine oder ähnliches zu erkennen sein, fährt TRAMPER noch einmal einen Meter weiter. Anschließend erfolgt eine hoch­auflösende Fotografie der Messstelle, bevor die eigentliche Messung beginnt. Dabei werden Sensoren in kleinen Schritten von 0,1 Millimeter in das Sediment gefahren, die die Sauerstoff­verteilung in den oberen zehn Zentimetern Meeres­boden messen. Anschließend geht das Gerät für eine Woche in den Ruhe­zustand, damit die Energie für die über 52 Wochen Messzyklus reicht. Die übergeordnete Fragestellung der Sauerstoffmessungen ist, wie der Kohlenstoff­kreislauf im Meer genau funktioniert, die Organismen am Meeresboden mit Nahrung versorgt werden und welche Veränderungen im Zuge des Klimawandels auftreten. Die Wissenschaftler planen, die Daten auszulesen, den TRAMPER mit neuen Sensoren und Batterien zu bestücken und ihn ein weiteres Jahr im Langzeit­observatorium AWI-Hausgarten einzusetzen.

„Besonders spannend wird die Expedition auch für die ROBEX-Weltraumforscher, die teilweise erstmals auf einem Schiff arbeiten“, sagt die ROBEX-Koordinatorin Martina Wilde. Sie erproben gemeinsam mit Tiefsee­forschern weitere innovative Schlüssel­technologien. So sollen zwei große Brüder von TRAMPER erstmals in der arktischen Tiefsee eingesetzt werden: der ebenfalls am AWI entwickelte NOMAD und der autonome Crawler VIATOR der unter der Führung vom GEOMAR gemeinsam mit Airbus und dem Deutschen Zentrum für künstliche Intelligenz (DFKI) entworfen und getestet wurde. VIATOR geht von seiner Basisstation MANSIO aus auf wissenschaftliche Erkundungs­fahrt und findet mithilfe von Navigations­software und –markern aus der Raumfahrt selbständig zurück zu seiner „Garage“. Das MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, Airbus und die Universität Würzburg haben gemeinsam einen Gleiter entwickelt, dessen besondere Heraus­forderungen in dem konstruktiven Design eines Unterwasser-Nurflüglers und dessen Steuerung liegen, die eine räumlich hoch­auflösende Untersuchung der oberen Ozeans­chicht ermöglichen. Weiter­entwickelte unbemannte Luft­fahrzeuge des AWI und der Universität Würzburg sollen das autonome Unterwasser­fahrzeug PAUL vom AWI bei der Navigation in schwer zugänglichen, eisbedeckten Regionen unterstützen. Außerdem wird das „Lab on a Chip“ getestet, ein hoch­integriertes, miniaturisiertes Analyse­gerät für chemische Messungen, das sowohl in unterschiedlichen Unterwasser­technologien, als auch in zukünftigen Raumfahrt­systemen eingebaut werden kann. Unterstützt und beobachtet werden alle diese Neu­entwicklungen vom ROV Kiel 6000 des GEOMAR, einem fern­gesteuerten Unterwasser­fahrzeug mit Video- und Kamerasystemen.

Auf dieser Polarstern-Expedition betreten die Weltraum- und Tiefsee­forscher mit vielen ihrer Technologien Neuland. „Die Zusammen­arbeit in der Allianz ist für beide Seiten total spannend, weil wir so viel voneinander lernen können“, berichtet Martina Wilde. „So unterschiedlich der Weltraum und die Tiefsee auf den ersten Blick sind: Beides sind extreme Lebens­räume, für deren Erkundung wir neue Technologien benötigen“, so die ROBEX-Koordinatorin, die hofft, dass diese Tiefsee Demonstrations-Mission ebenso erfolgreich wird, wird die Tests der Weltraum­technologien, die im Juni 2017 auf dem Vulkan Ätna stattfanden.

AWI / DE