Technische Universität Berlin
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Medieninformation | 27. September 2021 | cca

Autonomer Multisensor zur umweltschonenden Erschließung der Tiefsee

Forscher der TU Berlin entwickeln autonomes Monitoringsystem für den produktionsbegleitenden Umweltschutz

In dem Projekt „DeepSea Protection“ entwickelt ein Forscherteam der Technischen Universität (TU) Berlin ein Monitoring-System, das die Umweltbelastung durch den Tiefseebergbau überwachen soll. Das Projektvolumen beträgt für eine vierjährige Laufzeit insgesamt 8,2 Millionen Euro und wird mit über 6,7 Millionen Euro vom BMWi gefördert, davon erhält die TU Berlin eine Förderung von 1,2 Millionen Euro. Das Projekt startete Anfang September 2021.

Mit den Megatrends der Energiewende, E-Mobilität und Digitalisierung wächst der Bedarf an wertvollen Rohstoffen. Bedeutende Vorkommen befinden sich am Grund der Meere. Manganknollen (in 4.000 bis 6.000 m Tiefe), kobaltreiche Krusten (in 1.000 bis 2.500 m) und Massivsulfide (in 1.000 bis 3.000 m Tiefe) enthalten Metalle und Seltene Erden, die für moderne Hightech-Geräte unersetzlich sind. Computer, Monitore, Smartphones, Windkraftgeneratoren, Elektroautos und Hochleistungs-Batterien wären ohne sie nicht denkbar. Während der Landbergbau verheerende Spuren hinterlässt, könnte die umweltschonende Gewinnung aus dem Meer zukunftsfähige Alternativen bieten.

„In den internationalen Gewässern haben sich zahlreiche Industrienationen – u.a. auch Deutschland – große Lizenzgebiete für den künftigen Tiefseebergbau gesichert. Erste Pilot Mining Tests sind bereits angelaufen, weitere geplant. Die Internationale Meeresbodenbehörde muss nun verbindliche Standards definieren, die eine umweltschonende Gestaltung und kontinuierliche Überwachung der Bergbauaktivitäten in der Tiefsee gewährleisten sollen“, berichtet Matthias Golz vom Projekt DeepSea Protection, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme am Institut für Land- und Seeverkehr (ILS) der Fakultät Verkehrs- und Maschinensysteme an der Technischen Universität (TU) Berlin arbeitet. „Die technischen Herausforderungen für die Tiefseerobotik sind ebenso anspruchsvoll wie für die Monderkundung“, fügt er hinzu.

„In ‚DeepSea Protection‘ erstellen wir ein Sensornetzwerk, mit dem die Umweltverträglichkeit der Meerestechnologie kontrolliert werden kann“, beschreibt Dipl.-Ing. Sebastian Ritz, der ebenfalls als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme am Institut für Land- und Seeverkehr (ILS) in dem Projekt forscht.

Übergeordnetes Ziel der TU Berlin ist die Entwicklung eines intelligenten Bodennetzwerks mit multi-funktionellen Knoten in Form von kleinen Wasserfahrzeugen, welche die Arbeitsbezeichnung „Tiefsee-Kalmare“ tragen. Die „Tiefsee-Kalmare“ dienen zugleich auch als Anwendungs­plattform für die Forschungsergebnisse der Verbundpartner. Die Kalmare sollen so aufgebaut werden, dass sie als Tiefseenetzwerk für die digitale akustische Kommunikation und Navigation sowie gleichzeitig für das Monitoring von Umweltparametern eingesetzt werden können. Die Forschungsziele umfassen die Hard- und Software des Systems sowie die Datenaufbereitung und Darstellung der Messwerte.

Im Zusammenspiel aller Komponenten soll das multisensorische Monitoringsystem ermöglichen, während der Tiefseearbeiten geologische, topografische und ökologisch relevante Daten zu erheben und zu verifizieren. Mit den Daten lässt sich die Verteilung der Rohstoffe und der Tiefseeorganismen auf dem Meeresboden analysieren. Die biologischen Habitate werden georeferenziert kartiert und können dann mit gebührendem Abstand umfahren werden. Die Ergebnisse werden vor Ort gleich mit kartiert. Der Beobachtungsraum wird sich in Tiefen von 3000 bis 6000 Metern über ein Areal von jeweils 10 Quadratkilometern erstrecken. Während der Bergbauaktivitäten sollen die Multisensor-Kalmare zugleich auch hydrophysikalische Parameter wie zum Beispiel die Trübung des Wasserkörpers durch Sedimentaufwirbelungen erfassen. Für diese Messaufgaben wird ein spezieller Sensorträger für eine Multi-Parameter-Sonde in die Tiefsee-Kalmare integriert und mit Hilfe einer kompakten, tiefseetauglichen Winde im Jo-Jo Stil in der Wassersäule auf und ab bewegt. Dabei werden die Daten jeweils in der Ausgangsposition, telemetrisch von der Sonde zur Bodenstation übermittelt. Die von den Tiefsee-Kalmaren gemessenen Vertikalprofile ermöglichen detaillierte Aussagen zur zeitlichen und räumlichen Verteilung der Umweltbelastung im Areal und zu deren 3D-Ausbreitung in das weitere Umfeld. Auf dieser Grundlage kann auch die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen quantitativ bestimmt und operativ verbessert werden.

Der Sensorträger soll möglichst als eigenständige Systemkomponente entwickelte werden, so dass er auch für andere Einsatzzwecke und Fahrzeuge eingesetzt werden kann. „Wenn uns das gelingt, könnten wir im Anschluss an ‚DeepSea Protection‘ die Forschungsergebnisse für andere potentielle Anwender adaptieren. Das wäre ein Riesenfortschritt“, erklärt Sebastian Ritz.

Für die zielgenaue Positionierung der Tiefsee-Kalmare am Einsatzort sowie zur autonomen Repositionierung bei Standortwechseln wird ein robustes Antriebs- und Manövriersystem entwickelt, das den harschen Bedingungen am Meeresboden, wie aufwirbelndem Sediment, gerecht wird. Zusätzlich soll ein kompaktes Auftriebssystem, das von dem Antrieb unabhängig ist, das Auftauchen der Tiefsee-Kalmare zum Bergen an der Wasseroberfläche ermöglichen.

Das Projekt wird mit Unterstützung vom PTJ (Projektträger Jülich) im Rahmen des „Maritimen Forschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)“ gefördert. Mit dem Programm werden Innovationen für die maritime Wirtschaft in den Bereichen Schiffstechnik, Produktion maritimer Systeme, Schifffahrt und Meerestechnik adressiert. Gefördert werden vor allem Forschungsverbünde, die von Industriepartnern koordiniert werden und die Wettbewerbsfähigkeit erhöhen. Forschungspartner sind EvoLogics GmbH, Sea & Sun Technology GmbH, Sensorik Bayern GmbH, PlascoTec GmbH, Plasma Parylene Systems GmbH, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM), Fraunhofer-Institut für Graphische Bildverarbeitung (IGD) und die Hochschule Aalen.

Weitere Information:

Kontakt

Dipl.-Ing

Matthias Golz

FG Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme

m.golz@tu-berlin.de

+49 (0)30 314-25483

Einrichtung Institut für Land- und Seeverkehr (ILS)

Dipl.-Ing.

Sebastian Ritz

FG Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme

sebastian.ritz@tu-berlin.de

+49 (0)30 314-79860

Einrichtung Institut für Land- und Seeverkehr (ILS)