Neue Technologien zur Erkundung des tiefen Ozeans

von Gerold Wefer
Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen

Dieser Artikel erschien in der Broschüre "20 Jahre Fachbereich Geowissenschaften - Einblicke in die aktuelle Forschung", herausgegeben vom FB Geowissenschaften der Universität Bremen im Mai 2006.

Bahnbrechende neue Erkenntnisse in der Wissenschaft sind häufig mit innovativen methodischen und technischen Entwicklungen verbunden. Dies trifft in der Meeresforschung insbesondere für die Tiefsee zu. Dieser Forschungsraum ist nicht so leicht zugänglich wie z. B. Landoberflächen oder Flachwasserbereiche. Das ist der Grund, warum auch heute noch der tiefe Ozean weitgehend unbekannt ist. Die Rückseite des Mars ist zum Beispiel besser bekannt. Diese Regionen sind mit Satelliten erreichbar und können großräumig mit hoher Auflösung kartiert werden. Um jedoch im tiefen Ozean Messungen durchzuführen und Proben zu nehmen, muss man mit Unterwassergeräten direkt an den Meeresboden heranfahren.
Die marinen Geowissenschaften an der Universität Bremen haben in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, um für die Tiefseeforschung angemessene Geräte zu beschaffen und weiterzuentwickeln. Dies sind zwei kabelgebundene Unterwasserfahrzeuge, sogenannte »Remo­tely Operated Vehicles« (ROVs), ein Bohrgerät, das am Meeresboden abgesetzt wird (Meeresbodenbohrgerät – MeBo), und ein am Meeresboden operierendes Fahrzeug (Move!). Ein autonomes Unterwasserfahrzeug (Auto­no­mous Underwater Vehicle – AUV) wird zurzeit beschafft. Mit diesen Geräten öffnen sich völlig neue Forschungsmöglichkeiten, die im Folgenden kurz geschildert werden.

Aufnahmen des Quest ROV: Artenvielfalt am Schwarzen Raucher am Mittelozeanischen Rücken sowie eine Organismengemeinschaft am Irischen Kontinentalhang

Remotely Operated Vehicles (ROVs)

Betrieben werden zwei kabelgeführte Unterwasserroboter: ein bis zu 1000 m einsetzbares leichtes Fahrzeug, Cherokee, und ein bis 4000 m Wassertiefe operierendes größeres Gerät, Quest. Mit diesen beiden Geräten wurden schon ca. 80 Taucheinsätze durchgeführt, zum Teil mit über 16 Stunden Einsatzdauer. Beide Geräte sind mit sehr guten Kamerasystemen, Greifarmen und speziellen Mess­geräten ausgerüstet. Sie dienen der Beobachtung von Objekten, der Installation von Mess­geräten und der Probennahme. Mit speziellen Sensoren können diese ROVs auch selber Messungen durchführen. Die Geräte wurden in verschiedenen Projekten, insbesondere für Forschungsarbeiten des DFG-Schwerpunktpro­gramms »Spreizungsachsen« und des DFG-Forschungszentrums »Ozeanränder« eingesetzt. Erforscht wurden z.B. heiße Quellen und sog. »Schwarze Raucher« am Mittelozeanischen Rücken, kalte Quellen (s. Artikel von G. Bohrmann) und Gashydrate an Kon­ti­nentalrändern sowie Asphaltaustritte. Ihre Einsatzgebiete sind weltweit: von der Framstraße zwischen Grönland und Spitzbergen bis zum Weddellmeer in der Antarktis. Sehr viele Fahrten führten an den Mittelozeanischen Rücken im Atlantik. Dort wurden Langzeitstationen ausgesetzt und wieder geborgen sowie spezielle Pro­ben­nahmen durchgeführt.

Meeresboden-Bohrgerät (MeBo)

Im Jahr 2005 wurde ein Bohrgerät für den Einsatz in der Tiefsee (bis 2000 m) fertig gestellt, das mit unterschiedlichen Verfahren bis zu 50 m lange Bohrkerne aus Sedimenten oder Gesteinen gewinnen kann. Das Bohrgerät wird auf dem Meeresboden abgesetzt, um ungestört von Schiffsbewegungen durch Wind, Wellen und Strömungen den Meeresboden zu beproben.
MeBo wird vom Schiff aus über ein Spezialkabel mit Energie versorgt und fernge­steuert. Das Bohrwerkzeug wird auf zwei rotierenden Magazinen im Bohrgerät am Meeres­boden vor Ort zur Verfügung gestellt. Mit einem Kernrohr und drei Meter Verlängerungsstangen wird ein Kern gewonnen, der nach Abbau des Bohrge­stän­ges zusammen mit dem Kernrohr in einem Magazin abgelegt wird. Im nächsten Schritt wird das Bohrgestänge mit einem weite­ren Kernrohr und einer zusätzlichen Verlängerungsstange wieder aufgebaut, um das nächste Kernsegment zu gewinnen. Um den Meeresboden bis 50 m Tiefe zu beproben, werden in diesem konventionellen Bohrverfahren 17 Kernrohre und 16 Verlänge­rungs­stangen benötigt. In Lockersedimenten werden mit dem Pushcore-Verfahren Kerne mit 84 mm Durchmesser gezogen, Kerne mit 74 mm Durch­messer können aus Festgestein mit dem Ro­ta­tions­bohrverfahren erbohrt werden. In Loc­ker­sedi­menten kann das Bohr­loch zudem durch eine äußere Ver­rohrung stabilisiert werden.
Vier durch Elektromotoren angetriebene Hy­drau­likpumpen liefern die notwendige Energie. Die Überwachung erfolgt durch eine Vielzahl von Weg- und Drucksen­soren sowie durch Kameras. Vier Abstützfüße befinden sich an beweglichen Beinen, die am Tragrahmen von MeBo angebracht sind. Sie sorgen für eine verbesserte Standfestigkeit auf dem Meeresboden und können durch die individuelle Justierung die vertikale Position des Bohrgerätes gewährleisten.
Das Bohrgerät hat ein Gewicht von ca. zehn Tonnen und kann von deutschen und internationalen Forschungsschiffen weltweit eingesetzt werden. Es wird in Standard-Transportcontainern verschifft. Zu dem MeBo-System gehören neben dem eigentlichen Bohrgerät noch ein Kontroll- und ein Werkstattcontainer, ein Container für das Bohrgestänge und ein Windencontainer mit 2500 m Kabel, das für den Datentransfer zwischen Kontrollcontainer und dem Bohrgerät, für dessen Energieversorgung und für das Absetzen auf und das Bergen von dem Meeresboden genutzt wird.
Mit MeBo steht den marinen Geowissenschaften ein neues Probennahmegerät zur Verfügung, das die Lücke zwischen dem Einsatz von Schwere-/Kolbenlot auf normalen Forschungsschiffen und einem Bohrschiff schließt. Es handelt sich um das weltweit einzig verfügbare Gerät dieser Art für die Wissenschaft.

Moving Vehicle Move!

Das Unterwasserfahrzeug Move! ist eine Testplattform, und es wird für unterschiedliche Forschungsvorhaben genutzt. Das Fahrzeug wurde zusammen mit dem Royal Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ) auf Texel entwickelt. Es kann bis in 2000 m Wassertiefe eingesetzt werden und im Umkreis von fünf Kilometern ope­rieren. Die Einsatzdauer beträgt bis zu neun Monate. Der offene Rahmen erlaubt den Einsatz von unterschiedlichen wissenschaftlichen Geräten und Gerätepaketen. Ständig verfügbar sind Videokameras, ein Temperatur- und Druck­messgerät, ein Sonar und ein Strömungsmesser. Die Kommunikation wird durch akustische Modems oder ein dünnes Glasfaserkabel hergestellt.

Autonomes Unterwasserfahrzeug Explorer

In der Beschaffung befindet sich ein Autonomes Unterwasserfahrzeug (Autonomous Underwater Vehicle - AUV) für die Kartierung des Meeresbodens. Das 5,5 m lange und 0,7 m breite Fahrzeug wiegt 1,3 Tonnen und kann bis 5000 m Wassertiefe eingesetzt werden. Die Reichweite beträgt 120 km bei etwa 5 km/h Geschwindigkeit. Die Einsatzdauer erstreckt sich auf bis zu 22 Stunden. Ausgerüstet sein wird das Fahrzeug mit einem Temperatur- und Druckmessgerät sowie einem Fächerecholot, das gleichzeitig einen breiten Streifen am Meeresboden vermessen kann. Wenn das Fahrzeug auftaucht, ist eine bi­di­rek­tio­nale Kommunikation über Satellit möglich.
Das AUV soll zusammen mit dem ROV Quest eingesetzt werden. Mit dem AUV wird mit Hilfe des Fächerecholots der Meeresboden kartiert und anhand einer in einigen Stunden erstellten Karte folgt dann der Einsatz des ROV mit speziellen Aufgaben, z. B. Beprobung von Gesteinen und Sedimenten, Messungen an heißen und kalten Quellen sowie Ausbringen und Einholen von Messsystemen.
Mit dem oben beschriebenen Gerätepark verfügen die marinen Geowissenschaften in Bremen über ein anspruchsvolles Instrumentarium für den Tiefseeeinsatz. Dieser Gerätepark ist einzigartig in Deutschland, und er wird auch von anderen deutschen Instituten genutzt. Die mit den Geräten durchgeführten Forschungsarbeiten sind eingebunden in viele Kooperationsprojekte, vor allem im europäischen Rahmen. Über eine vergleichbare Ausrüstung verfügen nur einige wenige Institute auf der Welt.

Weitere Informationen zu den hier vorgestellten Meeresforschungs-Technologien finden Sie in der Rubrik Technologien.