Wie es in der Tiefsee aussieht, wissen die Forscher vor allem durch tauchende Roboter. Die technisch hochgerüsteten Maschinen helfen außerdem, Rohstofflager und neue Energiequellen am Meeresgrund zu erschließen.
Ein Heer aus Tausenden von Krabben, die über große Muschelbänke wuseln – was die Meeresforscher auf dem Forschungsschiff „Meteor” zu sehen bekamen, übertraf ihre kühnsten Erwartungen. Im Herbst 2007 kreuzten die Wissenschaftler des Zentrums für marine Umweltwissenschaften (Marum) der Universität Bremen vor der Küste Pakistans. In dieser Region, wo der Festlandsockel des asiatischen Kontinents schroff über 1500 Meter tief in den Indischen Ozean abfällt, ist der Meeresgrund gespickt mit „Kalten Quellen”, wo ein Gemisch aus Wasser, Methan, Schwefelwasserstoff und anderen chemischen Verbindungen aus dem Untergrund quillt (siehe auch „Manche mögen’s kalt” auf Seite 8).
Diesen exotischen Gebilden galt das Interesse des Expeditionsteams um den Meeresgeologen Gerhard Bohrmann. Doch nie hätten die Forscher mit einem so üppigen und vielfältigen Leben um die Kalten Quellen gerechnet. Dass sie nun als Erste einen atemberaubenden Blick auf die Fauna und Flora werfen konnten, haben die Bremer Meeresforscher vor allem „Quest” zu verdanken – einem der modernsten und vielseitigsten Unterwasser-Roboter der Welt. Vom Mutterschiff aus über ein mehrere Kilometer langes Kabel ferngesteuert, bewegt sich der 3,3 Tonnen schwere Koloss aus Aluminium behäbig über den Meeresboden und hält dort Ausschau nach Lebewesen, ungewöhnlichen Steingebilden und Zeugnissen geologischer Prozesse. Dabei sendet er unentwegt gestochen scharfe Fotos und Filme seiner Entdeckungen hinauf zu den Monitoren im Kontrollraum.
Automatische Tauchgeräte übernehmen in der Meeresforschung immer häufiger Aufgaben, die die Forscher bisher selbst bewältigen mussten, oder in Gegenden, die für Menschen unzugänglich sind. Penibel vermessen und kartieren die Roboter den Meeresboden, bestimmen Temperatur, Druck, Strömungen und viele andere Parameter des Ozeans und bringen Proben von Gestein, Wasser, Sedimenten oder Organismen nach oben – selbst aus den abgelegensten Winkeln der Tiefsee. „Ferngesteuerte Vehikel werden die bemannten Tauchboote mehr und mehr ablösen”, ist der Meeresgeologe Gerold Wefer überzeugt – Direktor des Marum in Bremen. Denn die Roboter müssen nicht mit aufwendigen und platzfressenden Sicherheits- und Versorgungseinrichtungen für eine menschliche Besatzung ausgestattet werden. Das macht sie leichter, agiler und billiger. Dass die Erforschung der Ozeane in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erfahren hat, wie Wefer betont, ist auch den technisch hochgerüsteten neuen Tauchrobotern zu verdanken. Zum Beispiel dem ferngelenkten Roboter Quest: Er nahm 2003 seinen Dienst am Marum auf. Das Tauchgerät, das etwa die Größe eines kleinen Wohnwagens hat, wurde vom US-amerikanischen Unternehmen Schilling Robotics entwickelt. Dort hat man sich auf die Herstellung von Arbeitsmaschinen für den Einsatz am Meeresgrund spezialisiert. Mehrere Tausend solcher Tauchgeräte sind weltweit zugange. Sie helfen beim Erkunden und Erschließen von Erdöl- oder Gaslagerstätten. Sie verlegen, warten oder reparieren Pipelines, Förderanlagen, Staudämme und Hafeneinrichtungen. Und sie kontrollieren Glasfaserkabel, die den weltumspannenden Telefon- und Internetdatenverkehr durch die Tiefsee leiten.
ROBOTER ZAPFEN DIE ARKTIS AN
Norwegische und russische Unternehmen, die seit ein paar Jahren mit Macht die Erschließung von Öl- und Gasquellen unter dem Arktischen Ozean vorantreiben, setzen vor allem auf automatisch arbeitende Unterwasser-Zapfanlagen und ferngesteuerte Roboter (bild der wissenschaft 7/2007, „Ein Meer tau(ch)t auf”). „ Förderplattformen wird es in der Arktis nur noch vereinzelt geben” , ist der Ingenieur Joachim Schwarz überzeugt, der 27 Jahre lang den Forschungsbereich Eistechnik an der Hamburger Schiffbau-Versuchsanstalt geleitet hat. Der Einsatz von Unterwasser-Robotern ist für die Energieunternehmen weitaus billiger – und er schont die Umwelt. Was den Einsatz von Tauchrobotern vereinfacht, ist eine von Forschern an der Bremer Jacobs University entwickelte Technologie, mit der sich die Geräte übers Internet steuern lassen.
Das erste Tauchfahrzeug entwickelte 1953 der französische Fotograf Dimitri Rebikoff. Danach baute die US-Marine Tauchroboter, um damit im Meer verlorene Objekte zu bergen. Damit gelang es 1966, eine vor der spanischen Küste versunkene Atombombe in Sicherheit zu bringen. Berühmt wurde 20 Jahre später ein Roboter, der endlich herausfand, wo das Wrack des gesunkenen Kreuzfahrtschiffs Titanic genau liegt. Eine technische Aufrüstung macht die Tauchroboter auch für Meeresforscher interessant. Die Wissenschaftler in Bremen haben ihren Tauchroboter Quest durch einen neuen Antrieb und etliche Spezialapparaturen getrimmt: Neben hochauflösenden Kameras für Fotos und Videoaufnahmen in HD-Qualität verfügt das Vehikel etwa über Tiefen- und Leitfähigkeitsmessgeräte, Thermometer und zwei kräftige elektrohydraulische Greifarme, mit denen sich Proben am Meeresboden entnehmen lassen.
Zur Standardausrüstung des Roboters gehören ein Steinbohrer sowie ein Sonargerät, um Topographie und Struktur des Untergrunds zu vermessen. Mit hellen Lampen beleuchtet Quest seine Umgebung. Angetrieben wird das über zwei Millionen Euro teure tauchende Messlabor von sieben Propellern, die Elektromotoren mit insgesamt 60 Kilowatt Leistung in Schwung halten. Ein etwa 1,8 Zentimeter dünnes Kabel bildet die Nabelschnur des metallenen Spähers: Darin verlaufen Glasfaserstränge, über die die Piloten auf dem Forschungsschiff Steuersignale an das Tauchvehikel senden und umgekehrt Messdaten, Fotos und Videos empfangen. Funksignale zum Steuern des Roboters würden vom Wasser zu stark gedämpft, akustische Signale wären zu lange unterwegs, um das Tauchboot zuverlässig lenken zu können. Ein Starkstromkabel versorgt Motor und Sensoren mit Elektrizität. Mit einer maximalen Tauchtiefe von 4000 Metern hat Quest neue Maßstäbe in der deutschen Meeresforschung gesetzt.
Bislang unzugängliche Regionen der Ozeane sind sein Revier. „ Rund 80 Prozent des gesamten weltweiten Meeresbodens lassen sich damit erreichen”, freut sich Gerold Wefer. „Die Systeme zur Navigation und Datenübertragung sowie den wendigen elektrischen Antrieb, HDTV-Übertragung, verschiedene Messeinrichtungen und Probennehmer haben wir weitgehend selbst entwickelt”, betont Volker Ratmeyer, der das Einsatzteam von Quest am Marum leitet. Wenn Ratmeyer und seine Crew auf Expedition sind, haben die Forscher rund um die Uhr zu tun. „Nachdem der Roboter und das zugehörige Equipment auf dem Schiff installiert sind, müssen wir dafür sorgen, dass der Betrieb des Tauchgeräts reibungslos läuft” , sagt Ratmeyer. Nach jeder Tauchfahrt, die 16 Stunden dauern kann, steht eine ausgiebige technische Wartung auf dem Programm. Sie nimmt etwa zwölf Stunden in Anspruch. Drei Stunden dauert der Aufbau der Versorgungseinrichtungen, zwischen zwei und drei Stunden vergehen beim Abstieg von Quest zum Meeresboden sowie beim Auftauchen. Die Mühe lohnt sich: „Wenn man vor dem Monitor sitzt und die Videoaufnahmen vom Meeresboden in TV-Qualität verfolgt, hat man das Gefühl, dass die eigenen Hände und Augen dort unten in der Tiefsee sind”, schwärmt Ratmeyer.
WÜRMER WINDEN SICH IM ASPHALT
Seit seinem ersten Tauchgang Anfang 2003 versetzt Quest die Forscher aus Bremen immer wieder in Staunen. So stießen die Wissenschaftler um Gerhard Bohrmann im Herbst 2003 im Golf von Mexiko erstmals auf sogenannte Asphaltvulkane: bizarre Berge, die in über rund 3000 Meter Tiefe bis zu 800 Meter aufragen und einen Brei aus reinem Asphalt speien – ähnlich wie Vulkane an Land glühende Lava spucken. Noch nie zuvor hatten Forscher ein solches Phänomen in der Finsternis der Tiefsee erblickt. Und es gibt noch viele offene Fragen. So stieß der Tauchroboter an den Flanken der absonderlichen Meeresvulkane – wie bei den Kalten Quellen vor Pakistan – auf eine üppige Tierwelt: Bartwürmer, Muscheln, Fischschwärme, Krebse und Algen bevölkern das exotische Biotop. Wie sie sich dort ernähren, ist den Forschern noch ein Rätsel.
Rätselhaft sind auch die Kaltwasserkorallen. Sie bilden ausgedehnte Riffsysteme, die im kühlen Wasser des Atlantiks von Spanien bis zur Nordspitze von Norwegen reichen. Dort wurden sie erst durch Tauchroboter für die Forschung zugänglich. Neue Funde belegen, dass Kaltwasserkorallen weltweit verbreitet sind: Sie gedeihen vor den Küsten von Kanada, Neuseeland, Japan und Südafrika. Anders als Korallen in tropischen Gewässern wachsen sie in 50 bis 3000 Meter Tiefe – wo es immer dunkel und das Wasser stets gleichmäßig kalt ist. Dennoch sind die Korallen dort genauso artenreich und farbenprächtig wie die Exemplare in den Tropen. Ihre Erforschung steht noch am Anfang. Sicher ist jedoch: Da sie beim Verkalken über lange Zeiträume große Mengen von Kohlendioxid freisetzen, beeinflussen Kaltwasserkorallen den globalen Kohlendioxidkreislauf – und sind daher ein wichtiger Faktor für den Klimawandel. Die Meeresforscher in Bremen schafften es mit ihrem ferngesteuerten Tauchvehikel sogar ins Buch der Rekorde: 2006 maßen sie mit Quest die höchste je im Meerwasser registrierte Temperatur. An einem „Schwarzen Raucher” am Mittelatlantischen Rücken zeigte das Thermometer des Roboters hitzige 407 Grad Celsius. An dem Gebirgsrücken, wo ständig neuer Ozeanboden entsteht, erwärmt glühend heißes Magma dicht unter der Oberfläche das Meerwasser. Nur der gewaltige Druck am Grund des Atlantiks verhindert, dass das heiße Wasser kocht. Derzeit kennen die Forscher weltweit rund 200 Schwarze Raucher, die in vielen tektonisch aktiven Teilen der Ozeane vorkommen. Durch ihre meterhohen Kamine treten Lösungen aus, die Methan, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff enthalten. Nicht nur Wissenschaftler, auch Bergbauunternehmen richten ihr Augenmerk auf diese Hot Spots der Tiefsee. Denn an Schwarzen Rauchern lagern sich Metallsulfide ab, die reich an wertvollen Metallen wie Gold, Kupfer, Zink und Silber sind. Mithilfe von unbemannten Unterwasservehikeln wollen Unternehmen die metallischen Rohstoffe abbauen.
BUDDELN IN DER BISMARCKSEE
Bereits vor rund 30 Jahren gab es Ideen für einen Bergbau am Meeresboden. Im Fokus standen damals Manganknollen – vor allem wegen des darin enthaltenen Nickels und Kobalts. Das Interesse an der Ausbeutung der Manganknollen ließ jedoch bald wieder nach, als neue Vorkommen an Land entdeckt wurden und die Preise für die Metalle sanken. Steigende Rohstoffpreise sowie die wachsende Nachfrage in aufstrebenden Ländern wie China, Indien und Brasilien haben nun die Begeisterung für den Bergbau am Meeresgrund neu geweckt. Bald wollen die ersten Unternehmen damit beginnen, Metallsulfide zu fördern.
Zum Beispiel die kanadisch-australische Firma Nautilus Minerals: Deren Ingenieure planen, schon 2009 in der Bismarcksee vor Papua-Neuguinea in einer Region mit Schwarzen Rauchern mit dem Abbau des begehrten Rohstoffs zu beginnen. Das Abbaugebiet „ Solwara 1″ liegt in rund 1700 Meter Tiefe und enthält schätzungsweise etwa 8 Millionen Tonnen erzhaltiges Gestein. Bei Nautilus Minerals ist man überzeugt, dass die Kosten für den Abbau mit der Förderung an Land konkurrieren können. Die wichtigsten Helfer dabei: Tauchroboter, die die begehrten Erze am Meeresgrund abgraben sollen.
Auch wenn es darum geht, die ökonomisch oder wissenschaftlich lohnenden Regionen unter Wasser aufzuspüren, ist auf Tauchroboter Verlass. So besitzen die Forscher am Marum in Bremen seit rund einem Jahr ein autonom agierendes Tauchboot, das nicht per Kabel mit einem Forschungsschiff verbunden ist, sondern sich frei durchs Wasser bewegt. Seine Aufgaben erfüllt es nach einem festen Plan. Die in der Tiefe gewonnenen Messdaten sendet der Roboter über Schallwellen an die Oberfläche. Die Kombination mit einem ferngesteuerten Fahrzeug erlaubt eine ideale Arbeitsteilung: Während das autonome Vehikel in 10 bis 50 Meter Höhe über den Meeresgrund gleitet und ihn nach interessanten Objekten absucht, nimmt sein am Kabel hängender Kollege diese anschließend vor Ort unter die Lupe. Das vom kanadischen Unternehmen International Submarine Engineering gebaute kabellose Gefährt, dessen Gestalt an einen Torpedo erinnert, kann, ohne auftauchen zu müssen, etwa einen Tag lang durchs Meer gleiten und dabei bis zu 120 Kilometer zurücklegen. „Da keine Schwingungen des Kabels stören, bietet der Roboter eine sehr ruhige Plattform, die hochaufgelöste Messungen ermöglicht”, sagt Gerrit Meinecke, Leiter der Marum-Abteilung Meerestechnik. „So lässt sich ein präziser Überblick über ein großes Gebiet am Meeresgrund gewinnen.”
Der fast 6 Meter lange und 1,5 Tonnen schwere „Torpedo” ist Teil eines Parks von unbemannten Tauchgeräten, die die Bremer Meeresforscher in den letzten Jahren aufgebaut haben. Dazu gehören auch ein ferngesteuertes Bohrgerät, dessen Probennehmer 50 Meter tief in den Meeresgrund eindringen kann, und ein Fahrzeug, das auf vier Rädern über den Meeresboden rollt – ähnlich wie die Marsrover der NASA über die Oberfläche des Roten Planeten. „Dieser Gerätepark ist konkurrenzlos in Deutschland und wird auch von anderen Instituten genutzt”, freut sich Marum-Chef Wefer. Auch weltweit haben nur wenige Institute eine vergleichbar üppige Ausstattung. Zusammen mit weiteren Tauchrobotern, die etwa das Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) an der Universität Kiel besitzt, verschafft dieses Instrumentarium den deutschen Wissenschaftlern eine führende Rolle bei der Erkundung der Weltmeere. „Der tiefe Ozean ist auch heute noch weitgehend unerforscht”, sagt Wefer. Um das zu ändern, werden die Forscher vor allem Roboter auf die Reise schicken. ■
von Ralf Butscher
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FERNSEHEN
Über den Einsatz von Unterwasserrobotern und deren faszinierende Entdeckungen haben die Kollegen vom TV-Wissensmagazin „nano” in Zusammenarbeit mit der bdw-Redaktion einen Film produziert. Die Erstausstrahlung ist am Donnerstag, den 28. Februar um 18.30 Uhr in 3Sat. Die Wiederholungstermine und mehr erfahren Sie im Internet: www.3sat.de/nano
Internet
Homepage des MARUM in Bremen: www.marum.de
IFM-GEOMAR in Kiel: www.ifm-geomar.de
Website der Firma Schilling Robotics: www.schilling.com
Homepage von Nautilus Minerals: www.nautilusminerals.com
Informationen zum Projekt Argo: www.argo.net
KomPAkt
· Mit unbemannten Tauchbooten fanden die Forscher Kaltwasserkorallen, Asphaltvulkane und extrem heiße Quellen.
· Roboter sollen helfen, Gold, Silber und Kupfer am Grund der Ozeane abzubauen.
· Deutsche Wissenschaftler haben eine Spitzenposition bei der Entwicklung und dem Einsatz von Unterwasser-Robotern.
DER roboter soll entscheiden
Bisher sind Tauchroboter ziemlich dumm. Sie folgen den Befehlen, die Piloten per Kabel an sie senden, oder arbeiten stur ein fixes Programm ab. Eine neue Generation von intelligenten Robotern wird darauf nicht mehr angewiesen sein. Sie sollen eigenständig Expeditionen unternehmen und während ihrer Ausflüge in die Tiefe selbst entscheiden, welche Objekte eine nähere Untersuchung lohnen. Wichtig ist das auch für Roboter, die in Zukunft auf fremden Himmelskörpern auf Tauchmission gehen sollen – etwa auf dem Jupitermond Europa oder dem Saturnmond Enceladus, unter deren Schale aus Eis sich Ozeane verbergen könnten.
AUF UND NIEDER, IMMER WIEDER
Im Herbst 2007 meldeten die Forscher Vollzug: Ein weltumspannendes neues wissenschaftliches Messnetz ist seither komplett. 3000 selbstständig arbeitende Roboter schwimmen gleichmäßig verteilt in den Ozeanen und übermitteln aktuelle Messdaten. An dem Beobachtungssystem „Argo” beteiligen sich fast 30 Länder, darunter auch Deutschland. Die rund 1,50 Meter großen Roboter, die aussehen wie kleine Torpedos, sind bepackt mit hochempfindlicher Messtechnik. Alle zehn Tage absolvieren sie einen Messzyklus, bei dem sie zunächst auf 2000 Meter Tiefe sinken, um danach kurz zur Oberfläche aufzutauchen. Während des Aufstiegs ermitteln Sensoren Temperatur, Druck sowie Salz- und Sauerstoffgehalt des Wassers. Die Daten senden die Roboter über ein Netz von Satelliten zu einer Zentrale. Aus der Variation der Auftauchposition der antriebslos driftenden Roboter lassen sich Richtung und Geschwindigkeit von Meeresströmungen bestimmen. Nach etwa vier Jahren ist die Batterie erschöpft und das Gerät muss ersetzt werden. Die Forscher erhoffen sich von Argo einen enormen Zuwachs an Wissen über die Weltmeere und deren Veränderung – etwa als Folge des Klimawandels.
Ohne Titel
