Motor 10.000 m unter dem Meer: Kleinstmotoren auf Tauchgang

Tiefseegräben üben möglicherweise einen unerwartet starken Einfluss auf das Erdklima aus. Zu ihrer Untersuchung tragen Antriebe bei, die dem extremen Druck widerstehen.

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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 6000 m unter der Wasseroberfläche und erstreckt sich bis zum Meeresboden. Ihr tiefster Punkt liegt im westlichen Pazifik im Marianengraben, etwa 11 km unter dem Meeresspiegel. Der Umgebungsdruck, der unter Wasser pro 10 m Tiefe um ein Bar steigt, beträgt dort dementsprechend 600 bis rund 1070 Bar am tiefsten Punkt.

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„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 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. Deshalb geht er davon aus, dass die Gräben einen überproportional großen Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffbilanz der Meere haben. Obwohl sie nur etwa 2 % 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

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 Roboter muss nicht nur dem hohen Druck in der Tiefe widerstehen, sondern in jedem Druckbereich von der Oberfläche bis zum Meeresboden auch zuverlässig funktionieren. 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.

Es gibt 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. 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 entsteht so keine Kraft auf die Komponenten.

Testroboter am Meeresboden

Tiefsee: Hydraulik-Roboter im Härtetest

Mit diesen hochzuverlässigen und druckresistenten Antrieben ist der Hades-ERC-Roboter bereit, die Meeresabgründe zu erforschen. Das Projekt ist auf fünf Jahre ausgelegt und die ersten Tauchgänge an drei pazifischen Gräben – dem Japan-, dem Atacama- und dem Kermandec-Graben – werden im Herbst 2018 beginnen. (ud)

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