Meeresforschungstechnik - Innovative Lösungen zur Erforschung des "Blauen Kontinents"

Zum Projekt: es wurde vor drei Jahren begonnen und wird bis Ende 2000 abgeschlossen sein. Das Projekt hat zum Ziel, ein Testverfahren zu entwickeln und die Testmaschine zu konstruieren, die erforderlich sind, um die Schmierfähigkeit der unterschiedlichen Typen von Hydraulikflüssigkeiten zu untersuchen und Flüssigkeiten für die Anwendung zu qualifizieren. Das neue Verfahren soll existierende Prüfverfahren ersetzen bzw. ergänzen, bei erfolgreichem Abschluß des grundlagenorientierten Projekts ist mit der Normung des Verfahrens zu rechnen. Der Kern des Verfahrens wurde zum Patent angemeldet, der erteilte Prüfungsbescheid war positiv. Für die Projektbearbeitung wurden bisher Drittmittel in Höhe von DM 800.000,-- eingeworben, davon DM 580.000,-- Personalmittel für Wissenschaftler, Techniker und studentische Hilfskräfte und DM 220.000,-- für Sachmittel (Testeinrichtung).

Die Nutzung der Meere und ihrer Ressourcen ist Gegenstand menschlicher Tätigkeit seit alters her. Dabei zeigt sich immer wieder, daß das Wissen um diese Ressourcen wie auch um die marinen Wechselwirkungen gering ist. Auch ist offensichtlich, daß die marine Umwelt leicht verletzlich ist und sensibel auf jegliche Art von Beeinflussung reagiert. Diese Reaktionen sind in ihrer Komplexität vielfach noch unverstanden. Die derzeit vorliegenden Meßdaten sind häufig nicht hinreichend genau bzw. unvollständig, so daß z.B. die wissenschaftlichen Fragestellungen nicht sicher beantwortet werden können. Auch mit der Hilfe numerischer Simulationen mariner Prozesse ist kein entscheidender Fortschritt möglich, da deren Ergebnisse aus den gleichen Gründen ungeprüft bleiben müssen. Diese unbefriedigende Situation führte international zu der Initiierung globaler und regionaler Meßprogramme, mit denen versucht wird, diese Lücken zu schließen. Dabei ist man sich aber bewußt, daß viele der derzeit in der Meereskunde und den verwandten Wissenschaften eingesetzten Meßtechniken nicht in der Lage sind, Meßdaten in der für die Validierung der theoretischen Modelle notwendigen Dichte und Genauigkeit zu liefern.

Der technologische Standard der in der Meeresforschung eingesetzten Meßtechnik ist innerhalb der einzelnen Teildisziplinen sehr verschieden. So ist die Messung stationärer oder sich langsam ändernder Werte von physikalischen Parametern wie Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeiten, Leitfähigkeit etc., auch für die Tiefsee, technisch gelöst. Dagegen ist die Bestimmung chemischer oder vor allem biologischer Kenngrößen in der Meeresforschung technisch nicht immer gelöst. Schwierigkeiten bereitet allgemein die Messung schnell veränderlicher Prozesse unter den Bedingungen der Tiefsee. Die Fortschritte in der Satellitentechnik ermöglichen es heute, momentan und global Daten bestimmter Parameter (Temperatur, Wellenhöhen, Strömungen) von den oberflächennahen Zonen des Weltmeeres (bis ca. 200 m Wassertiefe) zu erhalten; mit größer werdender Wassertiefe nimmt die Datendichte aber exponentiell ab. Bei einer mittleren Tiefe des Weltmeeres von ca. 3700 m ist die Aussagekraft der dort nur spärlich vorliegenden Daten über die Details mariner Prozesse in den Meeren gering. Diese Situation führt weltweit zu einem Entwicklungsbedarf für tiefseetaugliche Sensoren, Meßgeräteträger und Experimentierplattformen sowie der entsprechenden logistischen Technik.

Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung adäquater Tiefseemeß- und Experimentiertechnik sind zurückzuführen auf die komplizierten Umgebungsbedingungen (hoher Druck, chemisch aktive Medien, biologisch aktive Medien, geringe Reichweite von Licht und elektromagnetischen Wellen) und auch auf die hohen Anforderungen an das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit der Sensortechnik, die über die üblichen industriell-technischen Standards hinausgehen und heute oft nur in der Labormeßtechnik anzutreffen sind. Aus physikalischen Gründen sind optische, elektromagnetische und thermische Fernmeßverfahren (großer Abstand zwischen Sensor und Meßpunkt) nicht anwendbar; einzig akustische Verfahren sind verwendbar (Echolote, akustische Strömungsmesser). Der Schwierigkeitsgrad bei der Entwicklung von moderner Tiefseemeßtechnik wird durch das Problem der Gewährleistung einer ausreichenden Energieversorgung für diese Technik erhöht. Es besteht dieNotwendigkeit, verbrauchseffiziente Meßverfahren und -techniken konsequent einzusetzen. Oftmals wird jedoch die Meßdauer zuungunsten der Datendichte erhöht.

Autarker Tiefendrifter
Unter diesen Randbedingungen wurde am Arbeitsbereich Meerestechnik 1 ein autarker Tiefendrifter als universelle, driftende Experimentierplattform und als Geräteträger für die Tiefsee (zunächst beschränkt auf maximal 1200 m) entwickelt (Abb. 1). Dieses System ist vor allem als Träger autarker Sensorsysteme mit dem Ziel konzipiert worden, durch eine intelligente Regelung des Auftriebs gewünschte Tiefenprofile mit einer Genauigkeit von ( 10 m einhalten zu können, bzw. auch definierte Sink- und Auftauchgeschwindigkeiten zu realisieren. Damit kann der Drifter innerhalb des Wasserkörpers exakt vertikal positioniert werden und mit den in dieser Tiefe vorkommenden Strömungen driften. Konzipiert ist auch eine bidirektionale Kommunikationsmöglichkeit via Satellit über das System ORBCOMMSM. Damit wird der Status des Systems zwischen den einzelnen Tauchgängen kontrolliert, und es können auch missionsabhängige Korrekturen der Programmsteuerung durchgeführt werden. Auf mehreren Tauchgängen im Atlantik (Leider ist „vor der Haustür” keine Tiefsee vorhanden!) wurde das System getestet. Mit dem Driftersystem werden folgende Parameter erreicht:

– maximale mittlere Sinkgeschwindigkeit: 0,163 ms-1
– maximale mittlere Auftauchgeschwindigkeit: - 0,2 ms-1
– maximale Auftauchgeschwindigkeit nach Ballastabwurf:
   - 0,463 ms-1
– regelbare Geschwindigkeit (Betrag): < 0,0005 ms-1
– Tiefengenauigkeit (in Abhängigkeit vom Regler): < ±10 m

Erreicht werden diese Parameter mit einem feinskalig dosierenden variablen Auftriebssystem in Form einer geschlossenen Ölhydraulik mit Speicher. Das Auftriebs- und Regelsystem ist derart ausgelegt, daß Massenveränderungen von bis zu 1 kg während des Einsatzes ohne Beschränkung der Leistungsparameter kompensiert werden können. Mit dieser Eigenschaft ist das entwickelte Driftersystem prädestiniert als Trägersystem von Sinkstoffallen, die zur Bestimmung des sinkenden Partikelflusses durch die ozeanische Wassersäule eingesetzt werden. Präzise Meßwerte des Partikelflusses sind für die Klärung und Modellierung der globalen Kreisläufe zu Nährstoffen und Kohlenstoff unabdingbar. Ebenso benötigen Klimamodelle die Kenntnis dieser Prozesse. Ein Einsatz des Driftersystems im Rahmen internationaler Forschungskooperation ist gegenwärtig in Vorbereitung.

Messung von Wandschubspannungen in der Meerestechnik - Heißfilmanemometrie
Neben der Normalkomponente des Spannungstensors (Druck) bestimmt dessen Tangentialkomponente (Wandschubspannung) die Charakteristik vieler Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in der Meerestechnik. So ist dieser Parameter z.B. bestimmend für einen Hauptanteil des Schiffswiderstandes, für die Bodenerosion an Küsten und Bauwerken aber auch für die chemischen, biologischen und sedimentologischen Austauschprozesse an einer Wasser-Sediment-Grenzschicht. Die Messung der Wandschubspannung ist im Vergleich zu Druckmessungen bei meerestechnischen Anwendungen kompliziert und für viele Fälle noch nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich. Von den derzeit verfügbaren Meßtechniken ist insbesondere die Heißfilmmeßtechnik zur zeitlich wie örtlich hochauflösenden Messung der Wandschubspannung geeignet. Dies gilt auch unter dem Aspekt der Einsatzmöglichkeit dieser Meßtechnik außerhalb von Labor und Versuchstank. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen in Fluiden ist ihre Anwendbarkeit bisher sehr eingeschränkt. Am Arbeitsbereich Meerestechnik 1 wurde, ausgehend von einer theoretisch begründeten Methode der Kompensation des Temperatureinflusses auf das Heißfilm-Meßsignal, eine digitale Wheatstonesche-Brückenschaltung mit temperaturdynamischer Kennlinienverschiebung entwickelt (Abb. 2) [HENSSE et al., 1997], die die entkoppelte Messung von Temperatur und Wandschubspannung ermöglicht. Der Dynamikbereich der Meßbrücke ist damit im Unterschied zu allen bisher bekannten Schaltungsvarianten temperaturunabhängig und konstant.

Die Temperatursensitivität konnte mit dieser Schaltung um zwei Größenordnungen gegenüber der üblich angewendeten, unkompensierten Heißfilmmeßtechnik verringert werden und liegt jetzt bei 1 mV/°C. Damit ist die Heißfilmtechnik zur Messung von Wandschubspannungen bei meerestechnischen Meßaufgaben anwendbar. Voraussetzung dabei ist, daß adäquate Kalibriertechniken zur Verfügung stehen. Die notwendigen Entwicklungen führten zu einer Kalibriertechnik, bei der die Turbulenzstatistik der verwendeten Kalibrierströmung und der zu untersuchenden Strömung identisch sein muß [JUNGLEWITZ et al., 1997]. Sowohl für schiffstechnische Anwendungen als auch für Meßaufgaben an der Wasser-Sediment-Grenzschicht ist diese Kalibriertechnik am Arbeitsbereich vorhanden.

Die Heißfilm-Meßtechnik wird innerhalb laufender Projekte zur Messung der Bodenschubspannung eingesetzt. Dies dient einerseits dazu, in-situ Meßwerte für die Steuerung von Respirationskammern zu erhalten, in denen im Labor innerhalb geschlossener Kreisläufe die biologisch-sedimentologisch-hydrodynamischen Wechselwirkungen in der benthischen Bodengrenzschicht untersucht werden können [GUST et al. 1997]. Gleichzeitig dienen diese Werte auch zur Steuerung von in-situ Tiefseerespirationskammern des Arbeitsbereiches, die schon bis 4800 m Wassertiefe eingesetzt wurden. Eine andere derzeitige Anwendung der Heißfilm-Technik ist die Untersuchung der hydrodynamischen Ursachen des „Freilegens” von Offshore-Pipelines („Scouring”) in der Nordsee. Mit der Heißfilm-Technik ist es möglich, die Bodenschubspannungen in der Umgebung von Pipelines zu messen und, kombiniert mit Meßwerten zu Strömung, Wellen und Sedimenteintrag in das Fluid, die hydrodynamischen Ursachen des Scouring aufzuklären. Diese Arbeit findet im Rahmen des Graduiertenkollegs „Meerestechnische Konstruktionen” und in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie in Hamburg statt.

Literatur
Gust, G.; Müller, V.: „Interfacial hydrodynamics and entrainment functions of currently used erosion devices”, in Burt, N.; Parker, R.; Watts, J. (Eds.): „Cohesive Sediments, 4th Nearshore and Estuarine Cohesive Sediment Transport Conference INTERCOH „94, 11-15 July 1994, Wallingford, England”, pp. 149 -174, J. Wiley and Sons, N.Y., 1997

Henße, J; Müller, V; Gust, G: „Dynamic temperature compensation for hot film anemometry in turbulent flows - necessity and realisation”, in Xiong, S; Xijiu, S. (Hrsg): „Modern Techniques and Measurements in Fluid Flows”, pp. 212 - 217, Intern. Academic Publishers, Beijing, 1997

Junglewitz, A.; Müller, V.; Gust, G.: „Calibration of a Hot-Film Sensor for Application in Turbulent Ship Model Testing”, FEDSM97-3468, ASME, Vancouver, 1997

Prof. Dr. Giselher Gust
Arbeitsbereich Meerestechnik 1
Tel.: 040/42878-3048
www. tu-harburg.de/kt1/