Das reale Leben im digitalen Riff

Lässt der Hitzestress nach, können die Korallen ihre Symbionten wieder aufnehmen und sich regenerieren, andernfalls sterben sie ab. Nun haben seit 30 Jahren die Hitzewellen in den Tropen deutlich zugenommen, hinzu kommen häufigere Wirbelstürme und die Belastungen der Riffe durch Überfischung, zu viel angeschwemmten Dünger, Schlamm und Plastikmüll. Viele Korallen finden kaum mehr Zeit, sich zu erholen, und sie werden anfälliger gegen Viren, Pilze und Bakterien. Allein im Great Barrier Reef vor der Ostküste Australiens gab es im letzten Jahrzehnt fünf Massenbleichen, auch im Frühjahr 2024.

Noch gibt es Hoffnung

Haben wir überhaupt noch eine Chance, die „Regenwälder der Meere“ zu erhalten? Grundsätzlich ja, meint Anne Cohen, Korallenriff-Forscherin an der renommierten, fast 100 Jahre alten Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) im US-Bundesstaat Massachusetts: „Wir haben weltweit enormes Wissen gesammelt, um Korallen helfen zu können, und es entstehen gerade viele Initiativen, von lokalen Unterstützergruppen bis zu staatlichen und nichtstaatlichen Organisationen.“

Cohens Team hat sowohl im Pazifik als auch in der Karibik Korallen aufgespürt, die besonders hitzeresistent sind. Derzeit laufen ökologische und genetische Untersuchungen, um herauszufinden, was diese „Superkorallen“ auszeichnet und ob sie auch andernorts gedeihen können. Zudem gibt es Projekte – beispielsweise in Florida, Indonesien und auf der Pazifikinsel Moorea –, in denen Taucher Korallen anpflanzen wie in Baumschulen unter Wasser. Dafür hängen sie Korallenstücke wie lebenden Christbaumschmuck an künstliche Gitter oder kleben sie an Felsen.

Allerdings: Bisher war die mühsame Handarbeit oft vergebens, weil wieder eine Hitzewelle die Korallen dezimierte oder deren Larven ins Meer getrieben wurden, statt an Stellen, wo sich neue Korallenstöcke bilden konnten. „Die Probleme sind vielfältig“, sagt Cohen. Wie Städte seien Riffe komplexe, vielfach verwobene Strukturen. „Und sie sind extrem heterogen: Die Temperaturen oder Strömungen an einer Stelle können sich völlig unterscheiden von denen, die nur hundert Meter entfernt sind.“ Helfer seien daher oft wie im Blindflug unterwegs. „Egal, ob es um Renaturierung geht oder darum, wo man ein Ökoresort bauen kann, das dem Riff am wenigsten schadet – wir brauchen bessere Planungswerkzeuge, um die Gelder effektiv einzusetzen“, fordert die Wissenschaftlerin.

Analogie zu Städten

Hier schließt sich wieder der Kreis zu den Städten, denn dort gibt es so etwas bereits. „City Lifecycle Management“ heißt der Fachausdruck in der Industrie. Häuser, Straßen, Parks, Verkehrs- und Energiesysteme werden dafür digitalisiert und ganze Stadtteile simuliert. In der virtuellen Welt lassen sich dann Gebäude verschieben, Bäume pflanzen und Frischluftschneisen errichten sowie Szenarien durchspielen, wie das Verkehr und Energiebedarf beeinflusst und zugleich die Temperatur in der Stadt senkt.

Unternehmen wie Siemens haben solche digitalen Modellierungen seit mehr als einem Jahrzehnt perfektioniert. Damit helfen sie nicht nur Stadtplanern. Präzise Nachbildungen – sogenannte „digitale Zwillinge“ – gibt es auch von Maschinen und Prozessen aller Art: von Windparks über virtuelle Crashtests bei Autos bis zur Simulation ganzer Fabriken mitsamt Fertigung und Logistik.

„Als ich davon hörte, war ich sofort elektrisiert“, berichtet Cohen. „Denn wir am WHOI haben zwar Hunderte von Terabyte an Daten, fein aufgelöste Ozeanmodelle sowie numerische Simulationen, aber die Zahlen und Grafiken sind selbst für Fachleute schwer verständlich. Wir brauchen etwas intuitiv so Anschauliches wie das Videospiel, mit dem mein Sohn alles über Dinosaurier lernt – kurz: digitale Zwillinge von Korallenriffen.“

Unmengen an Daten fließen ein

Zusammen mit Siemens-Forschern in Princeton und Partnern wie der kalifornischen Stanford University startete Anne Cohen 2022 das Projekt „Digital Reefs“, das im Wesentlichen von der US-amerikanischen National Science Foundation finanziert wird. Dafür mussten zunächst Unmengen an Daten, aus Excel-Dateien, Satellitenbildern oder einem speziellen Format für Geo- und Klimawerte, in eine einheitliche Form gebracht werden.

„Die gemeinsame Plattform war unsere erste Herausforderung“, berichtet Siemens-Projektleiter Thomas Grünewald. „Die zweite war die Visualisierung: Wie bringt man digitale Zwillinge mit so großen Datensätzen möglichst auf jedem Endgerät zum Laufen?“ Denn Cohens Ziel war klar: Jeder Nutzer sollte sich von überall auf der Welt übers Internet einloggen, durch die Riffe navigieren und Was-wäre-wenn-Szenarien durchspielen können – künftig sogar per Smartphone. „Nur dann erreichen wir alle: Entscheider in Behörden ebenso wie die Fischer vor Ort“, sagt die Forscherin. So einfach wie ein Videospiel sollte es zu bedienen sein und zugleich die komplexe Welt der Riffe korrekt darstellen.

Im Frühsommer 2024 konnte Cohen den ersten Prototyp präsentieren: die Nachbildung des Palmyra-Atolls, 1.600 Kilometer südwestlich von Hawaii. Dort hatte das US-Militär im Zweiten Weltkrieg eine Basis errichtet und einen Dammweg mitten durch die Lagunen gebaut. Doch der blockierte die Zirkulation mit dem offenen Ozean und trieb die Wassertemperaturen auf weit über 30 Grad Celsius, wodurch erst die Korallen und später auch viele andere Lebewesen starben.

Der entscheidende Knopf

Mit dem digitalen Zwilling kann man nun nicht nur das Palmyra-Atoll im Detail erkunden sowie Strömungen und Temperaturen im Tagesverlauf darstellen. „Entscheidend für die Planungen ist der Change-my-Reef-Button“, erklärt Anne Cohen. Damit lässt sich auf Knopfdruck etwa der Damm durchbrechen oder sogar ganz entfernen: „Man sieht dann sofort, wie die Temperatur in den Lagunen sinkt und das Leben zurückkehrt.“ Mehr noch: „Wenn wir virtuell Korallen anpflanzen, können wir verfolgen, wie deren Larven sich in den Strömungen ausbreiten und wo sie sich ansiedeln“, sagt Grünewald. So lassen sich die besten Orte für neue Korallenstöcke herausfinden.

Mit dem „My-Future-Reef“-Tool kann man sogar Auswirkungen des Klimawandels bis 2050 simulieren. Auch Photogrammetrie-Daten lassen sich integrieren, also ortsgenaue Aufnahmen der echten Korallen im Riff. Und die Forscher denken darüber nach, Algorithmen der Künstlichen Intelligenz (KI) einzusetzen. Damit ließen sich Was-wäre-wenn-Szenarien in Echtzeit durchspielen – bislang müssen Change-my-Reef-Berechnungen im Voraus erfolgen. „Mit KI könnten wir zudem schneller die Stellen finden, wo Superkorallen wachsen“, sagt Cohen, und Grünewald ergänzt: „Außerdem könnten wir KI-Systeme an bestimmten Riffen trainieren und die Ergebnisse auf neue Korallenriffe übertragen.“

Ein Netzwerk soll entstehen

Es gibt also noch viel zu tun, aber angesichts der Bedrohungen drängt die Zeit. Besonders wichtig ist Anne Cohen, ein globales Digital-Reef-Network aufzubauen. „Was wir im Prototyp des Palmyra-Atolls bewiesen haben, kann man auf Tausende Riffe übertragen“, sagt sie. „Wir wollen digitale Riffe zum alltäglichen Werkzeug machen.“ Das Interesse sei bereits beachtlich. Es reiche von etlichen Ländern weltweit über Naturschutzorganisationen bis zur Privatwirtschaft, etwa Hotelketten, die herausfinden wollen, wie sie die Riffe vor ihren Stränden am besten schützen können.

Und digitale Zwillinge können noch mehr: Damit lässt sich auch simulieren, wie Plastikmüll in den Meeren treibt oder wie sich Schadstoffe ausbreiten. Zudem gibt es seit drei Jahren das internationale DITTO-Programm, dessen Kürzel für „Digital Twins of the Ocean“ steht: digitale Zwillinge des Ozeans. „Bei DITTO arbeiten inzwischen mehr als 100 Forschungsteams zusammen, darunter mindestens zehn aus China“, berichtet Martin Visbeck, der als physikalischer Ozeanograph am Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel die weltweite Vernetzungsplattform gegründet und bis 2024 geleitet hat.

„Digitale Ozean-Zwillinge haben viele Einsatzgebiete“, sagt er. „Das reicht vom Design von Offshore-Windparks über die Planung von Fischfangquoten und den besten Küstenschutz bis zur Renaturierung von Korallenriffen, wie Anne Cohen sie macht.“ Besonders spannend auch bei DITTO: die Was-wäre-wenn-Szenarien, etwa für Fragen zum Klimawandel. Wie muss man den Küstenschutz anpassen, wenn der Meeresspiegel steigt und die Stürme heftiger werden? Und wo braucht man höhere Deiche, wo können Seegraswiesen, Mangroven oder Riffe helfen?

„Ich habe gerade die Leitung einer Stiftung in Saudi-Arabien übernommen, um mit Forschungsschiffen, Tiefseerobotern und digitalen Zwillingen untermeerische Kuppen zu untersuchen“, berichtet Visbeck. „Solche Gebilde muss man sich vorstellen wie Oasen in den wüstengleichen Ozeanen, denn an diesen Kuppen vermischt sich Tiefenwasser mit vielen Nährstoffen und fließt Hunderte von Metern nach oben in die lichtdurchflutete Zone, wo dann das Leben tobt.“ Solche Auftriebsgebiete, an Kuppen oder an den Schelfrändern der Kontinente, sind außerordentlich wichtig für die Ökosysteme und den Fischfang. „So liefern die Gebiete an den Osträndern von Atlantik und Pazifik – vor allem vor Westafrika und Peru – ein Fünftel der weltweiten Fischereierträge, und das bei nur einem Prozent der globalen Ozeanfläche“, erklärt Florian Schütte, der als Nachfolger von Martin Visbeck am Geomar die Entwicklung der digitalen Zwillinge sowie Expeditionen auf See vorantreibt.

Das Meer vor Westafrika im Blick

In den nächsten Jahren wird es vor allem um das FUTURO-Projekt gehen, bei dem internationale Teams – koordiniert von Geomar – das Auftriebsgebiet vor Westafrika und rund um die Kapverdischen Inseln detailliert unter die Lupe nehmen. Allein Geomar will dort ein großes deutsches Forschungsschiff ein Jahr lang dauerhaft im Einsatz haben. „Uns interessieren vor allem die Kopplungen der physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse auf kleinen Raum- und Zeitskalen“, sagt Arne Körtzinger, chemischer Ozeanograph am Geomar und Leiter von FUTURO. „Wir müssen verstehen, wie diese Strömungen und Wirbel entstehen und wie sie sich entwickeln, um den Einfluss des Klimawandels simulieren zu können. Wie wird sich der Auftrieb verändern, wenn es wärmer wird, und was bedeutet das für die Tierwelt?“

Genau dafür seien digitale Zwillinge geeignet, sagt Schütte. „Denn in den zugrunde liegenden Modellen bringen wir alle Faktoren zusammen: von der Ozeanphysik bis zur Biologie des Phytoplanktons und den kleinen und großen Meereslebewesen.“ Entscheidend ist die Güte der Daten. Daher sind neben Infos, die Satelliten liefern, die Messungen vor Ort im Rahmen des FUTURO-Projekts so wichtig. Die erfolgen etwa mit Bojen und Tauchrobotern, Unterwasserdrohnen und fest verankerten Stahlseilen mit Sensoren – für Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt in verschiedenen Meerestiefen – oder mit Schallsignalen, durch die sich die Biomasse des Planktons messen lässt.

„Auch für die Frage, wo wir in dem riesigen Gebiet von einer Million Quadratkilometern rund um die Kapverden unsere Messungen machen sollen, sind die digitalen Zwillinge ideal“, freut sich Schütte. „Mit ihnen können wir an Bord des Forschungsschiffs aktuelle Daten einfließen lassen und die besten Orte finden.“ Doch das am meisten beeindruckende Mittel für die Planung von Expeditionen ist der Projektionsdom Arena 2 am Geomar in Kiel. „Unsere wissenschaftliche Begegnungsstätte“ nennt Tom Kwasnitschka die über 50 Quadratmeter große Halbkugel, auf der er Simulationen von Meeresströmungen und -wirbeln ebenso ablaufen lassen kann wie Abbildungen von Tiefseelandschaften.

Eindrucksvolle Bilder im Dom

„Als Geologe möchte ich im Feld am liebsten vor Ort stehen und die Umgebung in mich aufnehmen“, sagt er. Damit das auch unter Wasser lebensnah gelingt, hat er Kameras für Tieftauchroboter entwickelt und deren Daten in präzise 3D-Abbilder der Unterwasserwelt verwandelt – etwa für einen Vulkankrater, der sich mit acht Meter hohen Schloten über einen Kilometer unter der Meeresoberfläche befindet und vom Roboter zentimetergenau kartiert wurde. Wer im Dom der Arena 2 steht, kann in diesen Krater eintauchen, sich beliebig drehen, hineinzoomen und die Schnecken und Krebse an den hydrothermalen Quellen bewundern, als wäre er am Grund des Pazifiks.

Doch so perfekt die Visualisierungen sind, Tom Kwasnitschka ist noch nicht zufrieden: „Das ist sehr intuitiv und erlaubt einen schnellen und produktiven Austausch von Wissenschaftlern und Laien“, sagt er. „Aber für künftige digitale Zwillinge brauchen wir mehr, vor allem Modellierungen in Echtzeit.“ Das heißt, dass in Was-wäre-wenn-Abfragen nicht nur vorproduzierte Szenarien ablaufen sollen, sondern dass sich interaktiv neue Parameter vorgeben lassen und sich die digitale Welt dann entsprechend verändert: „Das muss das große Ziel für digitale Ozeanzwillinge der Zukunft sein.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…