10.000 Meter unter dem Meer

Statt bemannten Tauchgängen setzen die Forscher auf einen autonomen Roboter. Bild: Ronnie N. Glud

Statt bemannten Tauchgängen setzen die Forscher auf einen autonomen Roboter. Bild: Ronnie N. Glud

Die Suche nach fremdem Leben wird oft mit weit entfernten Planeten in Verbindung gebracht. Doch direkt vor unserer Haustür gibt es Bereiche, über deren Bewohner wir weniger wissen als über die Marsoberfläche. Eigentlich gilt: je tiefer man im Ozean geht, desto weniger Lebewesen lassen sich dort finden. Doch in Tiefseegräben unterhalb von ca. 6.000 Metern gibt es aktive mikrobielle Lebensgemeinschaften, die in völliger Dunkelheit und bei Drücken von bis über 1.000 bar leben. Meeresforscher gehen davon aus, dass diese Gräben einen unerwartet starken Einfluss auf das Erdklima ausüben und haben daher ein großes Interesse, diese Mikroben zu untersuchen. Dazu tragen Kleinstantriebe bei, die dem extremen Druck widerstehen und auch am Meeresboden zuverlässig funktionieren.

Welche biologischen und chemischen Prozesse in Tiefseegräben stattfinden, ist noch weitgehend unbekannt. Das Forschungsprojekt „Hades-ERC“ soll neue Einblicke in diese ozeanischen Abgründe ermöglichen. Die sogenannte hadale Zone beginnt 6.000 Meter unter der Wasseroberfläche und erstreckt sich bis zum Meeresboden. Ihr tiefster Punkt liegt im westlichen Pazifik im Marianengraben, etwa 11 Kilometer unter dem Meeresspiegel. Der Umgebungsdruck, der unter Wasser pro 10 Meter Tiefe um ein Bar steigt, beträgt dort dementsprechend 600 bis rund 1.070 Bar am tiefsten Punkt.

Leben in der hadalen Zone

„In der Meeresbiologie gibt es eigentlich eine einfache Grundregel“, sagt Professor Ronnie Glud von der Universität Süddänemark in Odense. „Je tiefer man hinuntergeht, desto weniger Lebewesen trifft man an“. Denn mit zunehmender Wassertiefe steigt nicht nur der Druck, es gibt auch immer weniger Sonnenlicht und von oben herabsinkende Nahrung wie z.B. Phytoplankton. Eigentlich ist daher in der hadalen Zone je nach Tiefe nur wenig biologische Aktivität zu erwarten.

Doch die Schwerkraft wirkt überall und ein Teil der an der Oberfläche entstehenden Biomasse sinkt daher früher oder später zwangsläufig immer weiter in Richtung Ozeanboden. Dort sammelt sich diese, auch Meeresschnee genannte, Masse und dient als Nahrung. Die biologische Aktivität bricht daher mit dem Trend und steigt wieder an, wie Professor Glud 2013 herausfand. „Unterhalb von 10.000 Metern haben wir mehr organischen Umschlag gefunden als bei 6.000 Metern“, resümiert er. Deshalb geht er davon aus, dass die Gräben einen überproportional großen Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffbilanz der Meere haben. Obwohl sie nur etwa zwei Prozent der Ozeanfläche ausmachen, könnten sie also überproportional auf die CO2-Bilanz und das klimatische Geschehen einwirken. Um die Frage nach dem Einfluss der Ozeangräben auf das Erdklima zu beantworten, untersucht seine Fakultät Odense gemeinsam mit den Meeresbiologen der Universität Kopenhagen und meereswissenschaftlichen Instituten aus Deutschland, Japan und Schottland mit dem Hades-ERC-Projekt die hadalen Mikroben. Dabei stehen die Forscher vor zwei große Schwierigkeiten:

Tauchroboter erforschen die Tiefe

Statt bemannten Tauchgängen setzen die Forscher auf einen autonomen Roboter. Bild: Ronnie N. Glud
Statt bemannten Tauchgängen setzen die Forscher auf einen autonomen Roboter.
Bild: Ronnie N. Glud

Bemannte Tauchgänge in mehreren Kilometern Tiefe sind zwar prinzipiell möglich und wurden auch bereits durchgeführt, doch sind sie aufwendig, teuer und gefährlich. Stattdessen kommt ein autonomer Roboter zum Einsatz, der Proben des Bodensediments nimmt und diese zur Untersuchung an die Oberfläche bringt. Doch ohne weitere Vorkehrungen würden die gesammelten, an den hohen Druck angepassten Mikroben beim Aufstieg durch den Druckabfall platzen, die Sedimentproben wären somit wertlos.

Der Hades-ERC-Roboter nimmt Proben des Bodensediments und bringt diese zur Untersuchung an die Oberfläche. Bild: Ronnie N. Glud
Der Hades-ERC-Roboter nimmt Proben des Bodensediments und bringt diese zur Untersuchung an die Oberfläche.
Bild: Ronnie N. Glud

Der Roboter muss nicht nur dem hohen Druck in der Tiefe widerstehen, sondern in jedem Druckbereich von der Oberfläche bis zum Meeresboden auch zuverlässig funktionieren, damit er erfolgreich abtauchen, die Proben unter Druck sammeln, diese mit Fixierungsmittel konservieren und schließlich samt den Proben wieder an die Oberfläche steigen kann. Der Antrieb, die Sensoren und die Werkzeuge, die das Sediment berühren, müssen zudem währenddessen auch verschiedene Bewegungen ausführen und viele Stunden autonom unter Wasser arbeiten.

Nach einem Praxistest hat sich das Team dafür entschieden, nur einen einzigen, besonders robusten, kompakten und gleichzeitig starken Motortypen aus dem Hause FAULHABER mit passendem Encoder und Planetengetriebe einzusetzen. Der Motor aus der Serie 2342 … CR hat sich in der Tiefe hervorragend bewährt und ist für den Einsatz unter solch extremen Bedingungen bestens geeignet. Die kleinen Kraftpakete bieten bei gerade mal 23 mm Durchmesser und 42 mm Länge dauerhaft bis zu 19 mNm Drehmoment und außerdem einen hohen Wirkungsgrad, sodass der Roboter mit nur einer Batterieladung lange autonom tauchen kann.

Motoren arbeiten unter Hochdruck

Das Forscherteam setzt auf DC-Kleinstmotoren der Serie 2342 … CR, die sich in einem Praxistest für die Tiefe hervorragend bewährt haben und für den Einsatz unter den extremen Bedingungen der hadalen Zone bestens geeignet sind. Bild: FAULHABER
Das Forscherteam setzt auf DC-Kleinstmotoren der Serie 2342 … CR, die sich in einem Praxistest für die Tiefe hervorragend bewährt haben und für den Einsatz unter den extremen Bedingungen der hadalen Zone bestens geeignet sind.
Bild: FAULHABER

Ein normaler Motor würde schon weit oberhalb der hadalen Zone nicht mehr funktionieren – entweder, weil eindringendes Meerwasser ihn von innen heraus zerstört oder, wenn er dicht ist, der herrschende Umgebungsdruck ihn von außen zerquetscht. Dementsprechend gibt es zwei Möglichkeiten, wie ein DC-Kleinstmotor seine Funktion unter diesen Bedingungen erfüllen kann. Eine Lösung ist, den Motor und andere drucksensible Komponenten in einem druckbeständigen Gehäuse unterzubringen. Diesen Weg konnten die Forscher beim Hades-ERC für viele Komponenten mit einem druckfesten Titan-Zylinder gehen. Aber einige Komponenten wie Motor und Getriebe können ihre Arbeit nur im Kontakt mit der zu erforschenden Umgebung ausführen. Deshalb kommt hier eine weitere Lösung zum Einsatz:

Sie macht sich zunutze, dass die auf die Komponenten wirkende Kraft nicht durch den Gesamtdruck an sich bestimmt wird, sondern durch die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Komponenten und dem äußeren Umgebungsdruck. Motor und Getriebe stecken daher in einem weiteren Zylinder, der mit einer inerten Flüssigkeit gefüllt ist, die im Gegensatz zu Salzwasser die Funktion nicht einschränkt. Dieser Zylinder kann über eine flexible Membran den Innendruck an den Umgebungsdruck anpassen. Der Druckausgleich bewirkt, dass der hohe Druck sowohl innen als auch außen herrscht. In Summe wirkt so keine Kraft auf die Komponenten.

Mit diesen hochzuverlässigen und druckresistenten Antrieben ist der Hades-ERC-Roboter bereit, die Meeresabgründe zu erforschen.

Über Faulhaber
FAULHABER ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke FAULHABER gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern Außendurchmesser umfasst das FAULHABER Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

Titelbild: Ronnie N. Glud

Marco Antoni

Der Diplom-Physiker arbeitet seit Juni 2015 beim Redaktionsbüro Stutensee. Kontakt können Sie via
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