Zur autonomen Erstellung von Messprofilen im tiefen Ozean

Zeichnung zu Aufbau einer Joyo-Verankerung (Photo: Gereon Budéus AWI) (Foto: Alfred-Wegener-Institut)

Es handelt sich bei diesem Gerät um ein verankertes System, welches Messprofile über die gesamte Wassertiefe im offenen Ozean gewinnt (typische Tiefen etwa 4 km), und dabei die Anforderung erfüllt, eine grosse Anzahl solcher Profile durchzuführen (typisch 200-400). So kann man tägliche oder zweitägliche Profile messen, wenn man die Verankerungen im Jahresrhythmus auswechselt.

Verankerte Messgeräte besitzen in der messenden Ozeanographie einen hohen Stellenwert, da sie mit ihren Zeitreihen sowohl die saisonale als auch die kurzzeitigere Variabilität im Ozean erfassen. Herkömmliche Verankerungen bestehen aus einem Grundgewicht und Messgeräten in verschiedenen Meerestiefen, die durch ein verbindendes Seil gehalten werden. Es werden genügend Auftriebskörper angebracht, um diese Anordnung trotz des Gewichts von Seil und Geräten vertikal zu halten. Ungünstig ist für viele Anwendungen dabei, dass die Geräte mehrere hundert Meter auseinander liegen und keine Information zwischen ihnen gewonnen werden kann. Ebenfalls nachteilig ist die Verwendung einer Mehrzahl von Instrumenten, die alle individuell unterschiedliche Drift aufweisen. Dies ist besonders relevant in polaren Gebieten mit ihren hohen Genauigkeitsanforderungen und in Gebieten, in denen mit Biofouling gerechnet werden muss.

Der wesentliche limitierende Faktor bei verankerten ozeanographischen Messgeräten ist durch die verfügbare Batteriekapazität gegeben. Diese stellt typischerweise den Messbetrieb für etwa ein Jahr sicher, wenn man alle 5 oder 10 Minuten einen Messwert aufnimmt. Möchte man Profile gewinnen, benötigt man ausser der Versorgung für die lange Betriebszeit (ununterbrochen für die ganze Profildauer) zusätzlich die Energie für den Vortrieb. Es ist ungünstig, den letzteren Anteil mit im profilierenden Gerät unterzubringen, da das dadurch erhöhte Gewicht ein grösseres Gehäusevolumen bedingt (ein profilierendes Gerät muss in etwa dieselbe Dichte wie das Meerwasser besitzen), und es damit einen grösseren Widerstand bei der Bewegung hat. Das Prinzip der profilierenden Drifter, welche ihr Volumen aktiv ändern indem Hydrauliköl gepumpt wird, ist damit für eine grosse Anzahl von Tauchgängen schlecht geeignet. Auch die hohen Drücke in grossen Tiefen bewirken einen ungünstig hohen Energieverbrauch beim Pumpvorgang.

Deshalb sind beim vorliegenden System die Komponenten für Messung und Energievorrat getrennt. Das profilierende Vehikel wird von einer Steuereinheit mit der Energie für genau einen Profilvorgang versehen. Erst nach dessen Beendigung wird für den nächsten Profilvorgang neue Energie zugeführt. Hierzu wird die potentielle Energie eines Gewichts benutzt: Zu Beginn des Tauchgangs wird aus einem Vorratsgefäss eine Bleikugel an das Vehikel abgegeben, welches damit zum Meeresboden sinkt. Dort wird die Bleikugel durch mechanische Freigabe entfernt, und das Vehikel steigt wieder an die Meeresoberfläche zur Steuereinheit auf, da es auf eine geringere Dichte als sie das Meerwasser besitzt tariert ist. Somit erfolgt die Vertikalbewegung völlig ohne elektrische Hilfsenergie aus der Energieversorung des Vehikels.

Voraussetzungen für eine solche Realisierung sind u.a. eine möglichst kleinvolumige Realisierung des zur Tarierung des Messgeräts notwendigen Auftriebs sowie die korrekte Tarierung des Gesamtvehikels in jeder Meerestiefe. Für das letztere ist insbesondere die mit wachsender Tiefe grösser werdende Dichte des Meerwasser zu berücksichtigen, die durch die Kompressibilität des Meerwasser bedingt ist. Dies ist natürlich erst bei grösseren Tiefen, wie sie hier besprochen werden, relevant.

Der Auftrieb wird vom Messgerät getrennt als eigenständiges Modul ausgeführt, so dass je nach Anforderung verschiedene Messgeräte ankoppelbar sind. So besteht das profilierende Vehikel aus dem eigentlichen Messgerät (mit interner Datenspeicherung) und dem Auftriebsmodul. Das in der Entwicklung verwendete Messgerät wiegt an Luft ca. 90 N, im Wasser ca. 50 N. Dieses Gewicht wird so tariert, dass das Vehikel etwa 1,5 N Auftrieb im Meerwasser besitzt. Als optimale druckfeste Auftriebskörper mit sehr geringer Dichte werden in einem Stück glasbläserisch hergestellte Glashohlkugeln verwendet, die bei einer Druckfestigkeit von 400 bar (entsprechend etwa 4 km Wassertiefe) eine Dichte von 0.4 kg/dm3 besitzen. Sie haben einen Durchmesser von ca. 10 cm. So lässt sich eine schlanke Bauform mit geringem Strömungswiderstand während des Profilvorgangs realisieren.

Da das Druckgehäuse des Messgerätes nahezu inkompressibel ist und auch die Glashohlkugeln eine weitaus geringere Kompressibilität als Meerwasser besitzen, würde ohne weitere Massnahmen der Auftrieb mit zunehmender Tauchtiefe immer größer und damit die Vorwärtsgeschwindigkeit des Vehikels immer kleiner. Dadurch vergrössert sich nicht nur die notwendige Betriebszeit zur Profildurchführung, sondern es wird auch die Qualität der Messprofile wegen der sich ändernden Zeitkonstanten der Sensoren verschlechtert. Man benötigt also noch eine Kompressibilitätseinstellung des Vehikels, welche aus Gewichtsgründen und wegen der hohen Betriebsdrücke nicht mechanisch (Feder und Kolben) ausgeführt werden kann. Realisiert wird die gewünschte Kompressibilität durch Befüllung eines Teilvolumens des Auftriebsmoduls mit organischen Flüssigkeiten (Alkane, wie Pentan, Hexan, Heptan), die erheblich kompressibler als Meerwasser sind und gleichzeitig wegen ihrer geringen Dichte noch einen Beitrag zum Auftrieb liefern. Bei richtiger Kombination von Instrument, Glashohlkugeln und Alkan lässt sich die richtige Dichte zusammen mit der richtigen Kompressibilität einstellen. Befüllt mit der Kompressionsflüssigkeit wird das zwischen den Glashohlkugeln befindliche Volumen. Damit sich das im Auftriebsmodul eingeschlossene Volumen unter Druckbeaufschlagung ändern kann, wird ein Kolben in einer zylindrischen Laufbuchse gedichtet geführt.

Die genannten Kompressionsflüssigkeiten sind sehr dünnflüssig und sind nicht mit Wasser mischbar. Die niedrige Viskosität erschwert die Dichtung ausserordentlich, jedoch darf wegen der empfindlichen Tarierung kein Verlust der Kompressibilitatsflüssigkeit auftreten. Es ist klar, dass Störungen bei autonomen verankerten Systemen erst nach deren Bergung erkannt werden und dann lange wertvolle Zeitreihen verloren gehen. So muss diesem Punkt besondere Beachtung geschenkt werden. Als Lösung wird hier die teilweise Befüllung des Auftriebsmoduls mit Wasser gewählt, so dass Kolben und Laufbuchse nicht gegen die niedrigviskose Kompressionsflüssigkeit, sondern gegen Wasser dichten. Realisiert wird dies durch Einbau des Kolbens am unteren Ende des Auftriebsmoduls, wo sich beim Betrieb das eingefüllte Wasser befindet, da es schwerer als die Kompressionsflüssigkeit ist. Damit werden auch geringe Verluste zuverlässig ausgeschlossen. Besondere Massnahmen sind bei solcher Anordnung noch aufgrund der Tiefseeapplikation notwendig. Bei hohen Drücken ist die Gaslöslichkeit im Wasser grösser als bei kleineren, so dass beim Auftauchvorgang ein Ausgasen auftreten kann. Solche Gasvolumina dürfen nicht im Auftriebsmodul gefangen bleiben, da sie die Tarierung stören. Eine konstruktiv sinnvolle Anordnung von Kolben und Entlüftungskanälen sorgt hier für eine automatische Entlüftung des Volumens unterhalb des Kolbens bei jedem Tauchgang.