ARCHES-Messnetzwerk in der Eckernförder Bucht wurde erfolgreich getestet

Vom 20. bis 31. Oktober 2020 waren Wissenschaftler der Helmholtz-Zentren AWI (Home - AWI), GEOMAR (GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung Kiel - GEOMAR - Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel) und DLR (Startseite - DLR Portal) auf dem Forschungsschiff ALKOR unterwegs, um in der Eckernförder Bucht erstmals ein autonomes Unterwasser-Messnetz zu testen. Bedingt durch die COVID-19 Pandemie und entsprechenden Hygiene-Auflagen seitens der Reederei und des GEOMAR konnten anstelle von 12 nur 7 Personen an der Demo-Mission teilnehmen, was sich auf die Größe des Unterwasser-Netzwerks und den Umfang des Testprogramms auswirkte. Durch einen Personalaustausch am 23. Oktober war es dennoch möglich, Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker des AWI, GEOMAR und DLR in die Erprobung des Netzwerkes einzubinden.

Das Unterwasser-Messnetz bestand aus 7 mobilen und stationären Messplattformen, die sowohl am Meeresboden als auch in der Wassersäule Messungen vornahmen. Jede dieser Plattformen war mit einem USBL Modem (EvoLogics, 7–17 kHz) für die hydroakustisch basierte Navigation und Kommunikation ausgestattet. Ein weiteres Modem befand sich im Lotschacht des FS ALKOR und erlaubte die Interaktion zwischen dem Netzwerk und dem Kontrollraum auf dem Schiff. Ferner, war jede Plattform zusätzlich zur plattform-spezifischen Sensorik, mit Sensoren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration, als netzwerk-übergreifender Basis-Parameter, ausgestattet. Ziel der Forschungsreise war es aufzuzeigen, dass die Plattformen Daten und Befehle untereinander austauschen können, um somit direkt auf Umwelteinflüsse zu reagieren und eine ganzheitliche Überwachung der Ozeane ermöglichen. Das Messnetz sollte autonom auf Umweltänderungen reagieren und seine Messstrategie entsprechend eines vorgegebenen Protokolls ändern. Als wissenschaftliche Fragestellung adressierte die Demo-Mission den zunehmenden Verlust von Sauerstoff in Küstengewässern der südwestlichen Ostsee, wobei die Variabilität von Sauerstoff in Abhängigkeit von atmosphärischen Einwirkungen und Mechanismen zur Belüftung von küstennahen Gewässern untersucht wurden.

Ursprünglich war es geplant die Daten der Boknis Eck Zeitserienstation, die sich in nächster Nähe zum Testgebiet befindet, in das ARCHES UW-Netzwerk einzubeziehen. Das Messsystem verschwand jedoch 2020 und wurde Monate später nur ca. 100 m entfernt stark beschädigt wieder aufgefunden. Zum Zeitpunkt der Ausfahrt war der Boknis Eck Messknoten noch nicht wieder betriebsbereit. Zur weiteren Auswertung der ozeanografischen Daten werden zusätzlich Wetterdaten von Kiel Leuchtturm und die Daten der ALKOR Wetterwarte verwendet.

Nach anfänglichen Schwierigkeiten, eine stabile hydroakustische Kommunikation zwischen den Plattformen und dem Forschungsschiff zu etablieren, gelang es den Wissenschaftlern und Ingenieuren die Positionen der einzelnen Plattformen verlässlich zu bestimmen und fortwährend Daten zum Sauerstoff-Gehalt in der Umgebung der jeweiligen Plattformen aufzuzeichnen und akustisch zu übertragen. Die Wissenschaftler waren in der Lage Messplattformen zur Erfassung des Stoffaustauschs zwischen dem Meeresboden und der Wassersäule zu steuern und gezielt vom Schiff aus in den Messvorgang einzugreifen. Im nächsten Schritt konnte dann auch die autonome Kommunikation der Messplattformen untereinander erfolgreich durchgeführt werden. Zwischen den Plattformen konnten Befehle zur Steuerung der Messprotokolle ausgetauscht werden, so dass sie gemeinsam auf die neuen Umweltbedingungen reagierten. Gleichzeitig konnte eine digitale Simulation des Netzwerkes, mit sogenannten „Digital Twins“ aufgebaut werden, anhand dessen das Netzwerk, simultan zum Geräteeinsatz, getestet werden konnte.

Diese Arbeiten sind ein wichtiger erster Schritt zur Errichtung von autonomen Unterwassermessnetzen zur Langzeitbeobachtung unserer Meere. Solche heterogenen Messnetze, die gleichzeitig in Echtzeit, synchron, verschiedene Parameter am und im Meeresboden, als auch in der Wassersäule erfassen, sind unerlässlich um dynamische Prozesse (z.B. Stürme, Saisonalität, anthropogene Einflüsse) an der Küste und dem offenen Ozean zu erfassen. Nicht zuletzt ermöglicht diese Technologie die kontrollierte Überwachung von Experimentstudien.

Neben dem technologischen Erfolg der Demo-Mission konnten nach bestem Wissen erstmals in einem UW-Netzwerkverbund zeitlich und räumlich synoptische Daten zur Sauerstoffdynamik in Küstengewässern erhoben werden. In-situ Stoffflussmessungen konnten in nahezu Echtzeit verfolgt und beeinflusst werden. Diese Erfahrungen mit einem heterogenen und kooperierenden Netzwerk, dessen Observatorien auch Zentren-übergreifend frei eingebunden werden können, bietet in der Weiterentwicklung eine enorme Bandbreite von zukünftigen Anwendungen in der Forschung als auch im kommerziellen submarinen Bereich.

Weiterführende Aktivitäten in 2021

• Bei den Unterwasser-Systemen konzentrierten sich die Arbeiten, nach der erfolgreichen Demo-Mission des Unterwassernetzwerkes im Oktober 2020, auf optische Sensor- und Multisampler-Systeme, sowie Batterieeinheiten, um den Einsatz der robotischen System zu verbessern und erweitern.
• Es wurde eine akustische Bildübertragung zwischen VIATOR und Oberflächenmodem (Schiff) implementiert, die es nun ermöglicht automatisiert Bilder des Crawlers zur Navigation und für wissenschaftliche Zwecke zu übertragen.
• Auch wurden die gemessenen Daten der Messkampagne auf der Ostsee aus dem Oktober 2020 analysiert und die von den akustischen Modems ausgegebene Distanzen ausgewertet. Des Weiteren wurden die akustischen Daten der Rekorder analysiert. Die Synchronisationspulse der Modems wurden extrahiert und deren Parameter geschätzt. Unter Berücksichtigung der gesammelten Daten wurde die Software der Modems neu erstellt, damit die Laufzeit per „Two-Way ranging“ ermittelt werden kann. Diese neue Software wurde dann in einer kleinen Messkampagne am Weßlinger und am Gilchinger See getestet.
• Das Crawler-System MANSIO-VIATOR (VIATOR – crawler, MANSIO - Landersystem) (Abb. 1) und der neu erstellte Deep-Sea Rover Panta Rhei wurden innerhalb des Jahres 2021 auf mehreren Forschungsfahrten mit dem FS ALKOR (AL552a (30.03. – 01.04), AL552b (07. – 09.04) AL558 (28. – 30.06), AL559b (12. – 14.07) intensiven Feldtests in der Eckernförder Bucht nahe der Boknis Eck Zeitserien Station unterzogen.  
• Im Rahmen der Tiefsee-Expedition PS126 mit FS Polarstern in der Arktis, wurden die beiden benthischen Crawler TRAMPER und NOMAD nach 2-jährigen Einsätzen geborgen. Bei TRAMPER stellte sich leider heraus, dass ein Kurzschluss in der Batterie das System schon kurz nach dem Aussetzen außer Betrieb gesetzt hat. Die Mission von NOMAD verlief im ersten Halbjahr reibungslos, bis er mit einem Dropstone kollidierte und seine Mission abbrach.
• Der AWI-Crawler-III mit erweiterter Payloadkapazität und neuem Batteriesystem wurde fertiggestellt

Weiterführende Aktivitäten in 2022

• Das Crawler-System MANSIO-VIATOR wurde und wird darüber hinaus auch 2022 auf weiteren Testmissionen erweitert und erprobt. Dazu gehören weitere Ausfahrten mit FS ALKOR (AL 568-1, 568a, 569), um den Themenkomplex Hindernisvermeidung zu implementieren, Des Weiteren werden induktive Dockingverfahren an eine externe Brennstoffzelle geplant, die parallel in einem BMWi-geförderten Projekt entwickelt wurde (2 Testkamapgnen im Mai und September 2022 bei der WTS 71 in Eckernförde).
• Der AWI-Crawler-III wird auf der Maria S Merian Reise MSM108 in der arktischen Tiefsee an mehreren Stationen des Tiefsee-Observatoriums FRAM eingesetzt und am Ende der Reise für seine erste 12-monatige Mission in 2500m Wassertiefe ausgebracht