METEOR ScienceLog-Nr.9-Lander: „Raumsonden“ der Tiefsee
16.11.2008
Autor: Olaf Pfannkuche
65% unseres Planeten sind mit Wasser bedeckt, dessen Tiefe mehr als 200m beträgt. Die mittlere Wassertiefe der Ozean beträgt 3840m. Die Tiefsee ist damit mit Abstand der größte zusammenhängende Lebensraum der Erde. Sie ist aber zugleich auch der am wenigsten erforschte Raum unseres Planeten mit großen weißen Flecken auf der Landkarte, vergleichbar mit unserem Kenntnisstand der Kontinente im 18. Jahrhundert. DieTiefsee kann auf Grund seiner Unzugänglichkeit und der extremen Umgebungsbedingungen (Kälte, hoher Druck, salziges Wasser, kein Licht, schlechte Kommunikationsmöglichkeit) nur mit hohem technischen Aufwand erforscht werden. Da es eine Reihe von Ähnlichkeiten mit dem Weltraum gibt, kann man die Tiefsee auch als unseren „inneren Weltraum“ bezeichnen.
Die Untersuchungsverfahren in der Tiefseeforschung sind daher, wie in der Weltraumforschung, technisch besonders aufwendig und innovativ. Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigten, dass ein enger Zusammenhang zwischen wissenschaftlichem Erkenntnisgewinn und technischem Fortschritt besteht.
Abb. 1: Vier GEOMAR Modular-Lander an Bord von FS METEOR sind zum Einsatz auf M77-1 bereit.
Am IFM-GEOMAR werden eine Reihe von modernsten Tiefseerobotern und Geräten für die Tiefseeforschung eingesetzt, die eine Tauchkapazität von 6000m haben (600bar Umgebungsdruck), dazu gehören das ROV „Kiel 6000“, das AUV „Abyss 6000“ und eine Flotte von „GEOMAR Modular-Landern“ (Webseiten des Ifm-GEOMAR). Landeruntersuchungen sind ein Schwerpunkt der Reise M77-1 (Abb. 1).
Abb. 2: Gezieltes Absetzen eines Landers: 1. Fieren am Koaxial/Glasfaserkabel an der Absetzeinheit bis auf Bodensichttiefe; 2. Schleppen über dem Meeresboden mit on-line Kamera und Scheinwerfern in der Absetzeinheit; 3. Abtrennen der Absetzeinheit, der Lander steht am Meeresboden; 4. Aufschwimmen des Lander nach Auslösung der Ballastgewichte.
Lander sind wie Raumsonden autonome Trägersysteme. Sie werden für Messungen, Langzeitbeobachtungen und Experimente am Tiefseeboden eingesetzt. Durch Ballastgewichte zum Meeresboden gezogen, treiben sie nach fernakustischer Auslösung der Gewichte mit Hilfe von Auftriebskugeln wieder zur Meeresoberfläche auf. Lander können verschiedenste Beobachtungs- und Messsysteme sowie Experimentiereinheiten beherbergen, die in der Tiefsee in Ihrer Funktion elektronisch gesteuert werden und mit eigener Energieversorgung versehen über Monate autonom arbeiten können.
Abb. 3: Der BIGO Lander wird nach erfolgreichem 30-stündigem Einsatz mit zwei vollen Messkammern geborgen. Die Ballastgewichte sind abgeworfen.
Messdaten werden auf elektronischen Speichermedien gespeichert. Für ein modulares Konzept konzipiert, kann ein Basislander entsprechend der wissenschaftlichen Fragestellung technisch hochspezifiziert ausgerüstet werden. Bei der Entwicklung dieser Module, die auch einzeln mit dem ROV am Meeresboden platziert werden können, nimmt das IFM-GEOMAR eine internationale Spitzenstellung ein.
Lander können für eine Freifall-Landung einfach an der Wasseroberfläche ausgesetzt werden. Eine klassische Methode, die aber nur ein Zielgebiet jedoch keinen Zielpunkt erfasst. Für eine zielgenaue Landung wird ein Lander an einer Absetzeinheit, die mit einer Videokamera und Scheinwerfern bestückt ist, an einem Koaxial-oder Glasfaserkabel bis zum Meeresboden gefahren und mit dem Schiff an eine vorherbestimmte Position geschleppt und dort vom Absetzrahmen ausgelöst (Abb. 2). Die Forscher sitzen in einem Kontrollraum mit dem Windenfahrer und können über Monitore den Meeresboden beobachten und den Lander sanft und punktgenau auf dem Meeresboden absetzen. Dieses Verfahren wird auch auf dieser Reise angewendet und erlaubt es uns, gezielt in bestimmten Lebensräumen unsere Messungen vorzunehmen.
Abb. 4: Eine Messkammer des BIGO mit Spritzenprobennehmern. Die Schläuche werden an den Einlässen in der runden Kammer angeschlossen. Die Kammer ist über die schwarzen Schläuche mit einem Oxistaten (links) verbunden, der den Sauerstoffgehalt im Wasser der Messkammer reguliert.
Auf dieser Reise wird u.a. ein technisch sehr anspruchsvoller Lander eingesetzt. Der BIGO Lander (biogeochemisches Laboratorium, Abb. 3) fährt am Meeresboden zwei Meßkammern in das Sediment. In diesen Kammern sind dann eine Sedimentsäule von ca. 30cm und das darüber liegende Bodenwasser eingeschlossen. Gemessen werden der Austausch von Stoffen zwischen Sediment und dem Wasser wie der Transport von Gasen, gelösten Nährstoffen, Sauerstoff usw. Dazu werden in Zeitreihen Wasserproben mit Glasspritzen aus der Messkammer genommen (Abb. 4), die später an Bord analysiert werden. Über zusätzliche Kammermodule können wir für Experimente die Umweltparameter in der Messkammer verändern, wie z.B. eine Erhöhung oder Erniedrigung des Sauerstoffgehalts oder die Zugabe von Nahrung oder Tracerstoffen. Nach der Messung wird die Kammer mit einer Jalousie von unten geschlossen und dann wieder aus dem Sediment gefahren, so dass wir die Sedimente an Bord weiter untersuchen können.
Abb. 5: Ausbringen eines BIGO Landers mit einer Messkammer (links) und dem Porenwassersammler (rechts). Der Lander ist unter der Absetzeinheit angebracht. Die Ballastgewichte (Einzelgewicht 150kg) tragen an den Unterseiten Lochbleche („Schneeschuhe“), um ein zu tiefes Einsinken des Lander in den zum Teil sehr schlammigen Sedimenten zu verhindern.
Eine Variante des BIGO ist in Abb. 5 dargestellt. Diese ist zurzeit noch in 300m Tiefe auf dem Meeresboden abgesetzt. Hier wurde eine der runden Messkammern durch ein Modul ersetzt, das in verschiedenen Sedimenthorizonten das Wasser aus dem Porenraum des Sediments für geochemische Analysen sammelt. Dieses Modul ist eine Neuentwicklung, die erstmals auf dieser Reise getestet wird.
Bisher wurden auf dieser Reise 15 Landereinsätze gefahren. Weitere sind für M77-2 geplant.
Abb. 6: Olaf Pfannkuche, Fahrtleiter der Expedition M77-1 beim Fahren eines BIGO Lander vor dem Kontrollschirm.
Das ScienceLog ist eine Kooperation zwischen dem IFM-GEOMAR, dem SFB 754 der Christian-Albrechts-Universität Kiel und planeterde.de.