Ein Hauch frischer Luft: Unbemannte Überwasserschiffe kartieren Sauerstoffmangel im Golf von Mexiko

Zwei SeaTrac SP-48 im Golf von Mexiko. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Die wissenschaftliche Methode dient als Standard für die Forschung und leitet analytische und investigative Projekte. Obwohl sie Generationen von Studierenden vermittelt wird, sind ihre Schritte alles andere als altmodisch. Technologische Fortschritte ermöglichen es Forschern, jeden einzelnen Schritt weiterzuentwickeln und zu modernisieren, wodurch Zeit, Geld und sogar Menschenleben gespart werden. Die Datenerhebung, der mittlere Schritt der wissenschaftlichen Methode, bildet hier keine Ausnahme. Viele Projekte benötigen umfangreiche Datensätze, die oft in extremen Umgebungen oder über lange Zeiträume hinweg erhoben werden. Die University of Southern Mississippi (USM) hat mithilfe von SeaTrac Systems bei ihrer Hypoxieforschung im Golf von Mexiko auf autonome Lösungen zurückgegriffen.

Die Partnerschaft, an der auch die Nationale Ozean- und Atmosphärenbehörde (NOAA) beteiligt ist, kartiert potenzielle Hypoxiegebiete im Golf von Mexiko und deren Auswirkungen auf die lokale Fischerei und die Fischbestände. Hypoxische Zonen, auch bekannt als Todeszonen, sind Gewässer, in denen der Sauerstoffgehalt aufgrund von Nährstoffbelastung sinkt, was häufig erhebliche Auswirkungen auf das aquatische Leben hat. Die Zusammenarbeit hat kürzlich die zweite Phase des Projekts erfolgreich abgeschlossen. Aufbauend auf einer früheren Phase und über den Machbarkeitsnachweis hinaus, werden nun mehrere unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USVs) vom Typ SP-48 eingesetzt. „Es ist ein sehr arbeitsintensiver und einfacher Einsatz mit einem großen Forschungsschiff“, sagte James Thompson von der University of Southern Mexico (USM). „Wir haben das Projekt aus der Perspektive unbemannter Fahrzeuge angegangen; mit den heute verfügbaren Werkzeugen können wir es modernisieren.“

Der Pickup-Truck unter den USVs

Das Herzstück dieser Forschung ist das USV SP-48, was für „solar powered“ und „4.8 meters“ steht. Mit einer Länge von rund 4,5 Metern und einem Gewicht von etwa 295 Kilogramm kann es dank einer großen Solaranlage an Deck, die eine interne Batterie lädt, monatelang rund um die Uhr im Einsatz sein. Es ist für den Einsatz in Küstennähe und auf hoher See konzipiert; im Rahmen dieses Projekts kann das USV zwischen acht und 64 Kilometern Entfernung operieren. „Das Boot selbst ist eigentlich eine Plattform zur Datenerfassung“, sagte Hobie Boeschenstein, Leiter der Bereiche Betrieb und Geschäftsentwicklung bei SeaTrac. „Wir vergleichen es mit einem Pickup-Truck, dessen Ladefläche an sich nicht besonders nützlich ist. Es geht vielmehr um die Nutzlasten, die man darauf transportieren kann, und die Möglichkeit, diese schnell auszutauschen und verschiedene Geräte – wie Sonargeräte, Wasserqualitätssensoren oder ozeanografische Sensoren – anzubringen.“

Das SeaTrac SP-48 USV. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Im Verlauf des Projekts nahmen SeaTrac und USM Änderungen am unbemannten Unterwasserfahrzeug (USV) vor, um dessen Vielseitigkeit und Robustheit bei der Datenerfassung zu verbessern. „Speziell für dieses Projekt“, fügte Boeschenstein hinzu, „lag der größte Entwicklungsaufwand unsererseits in der Winde und der Möglichkeit, Profilierungen bis zum Meeresboden durchzuführen. Die Integration zusätzlicher Kommunikationssysteme wie Starlink Mini war im Laufe des Projekts eine bedeutende Erweiterung gegenüber dem Projektbeginn.“

„Es ist unglaublich vielseitig, was die Ausrüstung angeht. Wir haben Kameras und Kollisionsvermeidungssysteme getestet – viele verschiedene Dinge während unserer Hypoxie-Mission. Das zeigt, wie flexibel dieses Boot ist“, bestätigte Thompson. „Wir haben unter anderem auch akustische Stromdaten erfasst, einfach weil es möglich war. Es ist wirklich wie ein Pick-up. Man kann so viel an Bord transportieren, und mit der Batteriegröße und der Fähigkeit, so viel Solarenergie zu erzeugen, ist es ein echter Durchbruch.“

Phase Eins

Die erste Phase des Projekts diente primär als Machbarkeitsnachweis. Dabei wurden die Fahrzeuge und verschiedene Sensoren sowie deren Fähigkeit zur Datenerfassung getestet. „Wir haben viel darüber gelernt, was wir optimieren mussten, damit alles funktioniert“, sagte Thompson. „Und es ist uns gelungen, und zwar viel besser als erwartet.“

Der logische nächste Schritt war die Erprobung längerer Messkampagnen, die Bewertung verschiedener Sensorkonfigurationen und der gleichzeitige Einsatz mehrerer unbemannter Überwasserfahrzeuge (USVs) in unterschiedlichen Ausführungen. „Wir haben festgestellt“, fügte Thompson hinzu, „dass das Fahrzeug zwar über enorme Energiekapazität verfügte, diese aber nicht voll ausschöpfte.“ Sie stellten die Sensoren so um, dass sie vom USV mit Strom versorgt oder aufgeladen wurden, was einen deutlichen Unterschied hinsichtlich der erfassbaren Datenmenge ausmachte. „Wir waren nicht mehr durch die verfügbare Energie der Sensoren eingeschränkt. Wir konnten immer mehr Daten sammeln. Und es zeigte sich der Vorteil, nicht nur die jährlich wiederkehrenden Koordinaten zu erreichen, sondern auch die Veränderungen der Hypoxiegrenze zu ermitteln und diese durch zusätzliche Datenmessungen genauer zu lokalisieren.“

SeaTrac war von Beginn an maßgeblich an diesem Projekt beteiligt und entwickelte neue Funktionen, wie beispielsweise eine Winde, um Sensoren von der Oberfläche zum Meeresboden zu befördern. „Ein sehr wichtiger Aspekt der Hypoxiekartierung ist es, bis auf einen Meter an den Meeresboden heranzukommen“, erklärte Boeschenstein. „Andernfalls gehen wichtige Daten verloren. Eine unserer größten Entwicklungsaufgaben bestand darin, sicherzustellen, dass die Sonde bis ganz nach unten gelangt. Wir arbeiteten eng mit dem USM-Team zusammen, um verschiedene Methoden zu prüfen, und entwickelten schließlich ein System, das mithilfe von Softwareparametern Seildurchhang erkennt und feststellt: ‚Okay, die Sonde befindet sich auf dem Meeresboden; näher kann sie nicht herangeführt werden.‘“

„Wenn wir die größten Auswirkungen von Sauerstoffmangel auf die Fischerei untersuchen, konzentrieren wir uns auf die Schicht direkt am Meeresboden, in der sich alle bodenlebenden Tiere aufhalten. Können diese nicht nach oben schwimmen, beeinträchtigt das natürlich ihren Stoffwechsel und ihre Fortpflanzungsfähigkeit“, erklärte Thompson.

„Die Möglichkeit, die Sensoren bis ganz nach unten zum Meeresgrund zu bringen und mit Sicherheit zu wissen, dass sie sich in dieser untersten Wasserschicht befinden, und dann in Echtzeit zu beobachten und zu sagen: ‚Ja, wir messen hier immer noch Sauerstoffmangel, fahren Sie weiter nach Süden und sehen Sie, ob wir die Grenze finden, an der wir wieder sauerstoffreiches Wasser haben.‘ Die Mission flexibel anpassen zu können und zu wissen, dass wir die relevanten Daten erhalten, war absolut entscheidend.“

Eine SP-48 im Wasser. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Aufnahmen der SP-48 auf See, darunter Bilder von Unwetter und die Sichtung von Wildtieren. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Phase Zwei und darüber hinaus

In der zweiten Phase setzte USM mehrere SP-48-Geräte gleichzeitig ein, die von einem einzigen landgestützten Bediener überwacht wurden. Dank der langen Einsatzdauer, der schnellen adaptiven Probenahme und der Zuverlässigkeit der Plattform sammelte das Team 123 verifizierte Hypoxie-Datenpunkte, selbst unter den schwierigen Bedingungen im Golf von Mexiko, die unter anderem den Durchzug eines tropischen Wettersystems über das Einsatzgebiet umfassten.

„Eines unserer Hauptziele war die Verbesserung der Sensorintegration und des Datenflusses“, sagte Thompson. „In Phase eins ging es vor allem darum, die Machbarkeit zu testen; in Phase zwei wurde der Prozess optimiert. Dazu gehörten beispielsweise schnellere Datenübertragungen, also die Übertragung der Daten vom Sensor zum Boot und von dort per Satellit zu unserem System, um sie in Echtzeit mit der NOAA teilen zu können.“

Ein weiterer Unterschied, wie Thompson hervorhob, bestand darin, dass sich die Sensoren in ihrem eigenen Tempo weiterentwickelten. Dadurch konnten neue Funktionen genutzt werden, um die Datenerfassung weiter zu verbessern. „AML Oceanographic, der Hersteller des Profilierungsinstruments, hat eine drahtlose Ladefunktion dafür entwickelt“, fügte Boeschenstein hinzu. „Bisher mussten wir abwägen: ‚Wir schalten die Sonde ein, erfassen die Daten, entfernen sie und schalten sie dann wieder in den Ruhemodus.‘ Das war aufwendig und führte schließlich dazu, dass der Akku leer war. Das schränkte die Einsatzmöglichkeiten ein.“ Mit der Einführung dieser neuen Funktion durch AML Oceanographic musste das USM-Team die Akkus nicht mehr zwischendurch austauschen, wodurch sich das Potenzial für längere Messkampagnen ergab.

„Es geht auch um die Sicherheit“, fügte Thompson hinzu. „Man entlastet die Besatzung von der Notwendigkeit, Fahrzeuge auf See zu warten, was an sich schon eine heikle Angelegenheit ist.“

Verfolgung der Routen von unbemannten Überwasserfahrzeugen. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

SeaTrac SP-48 im Golf von Mexiko. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Das Team hofft auf einen weiteren Sommer zur Datenerhebung und plant, ein drittes SP-48-Gerät in die Flotte aufzunehmen. Im Bereich der Datenverarbeitung arbeiten die Forscher weiterhin an der Automatisierung, um zusätzliche Qualitätskontrollschritte zu integrieren, und streben die Erstellung eines 3D-Modells des gelösten Sauerstoffs für das gesamte Untersuchungsgebiet an.

Eine dritte Phase würde die Arbeit der ersten beiden Phasen fortführen, wichtige Hypoxiedaten sammeln und den Einsatz von unbemannten Überwasserfahrzeugen (USVs) bei der Datenerfassung und -überwachung auf See hervorheben. Darüber hinaus zeigt dieses Projekt etwas weniger Häufiges: Wie sich schrittweise technologische Weiterentwicklungen, wie beispielsweise drahtloses Laden, Energiemanagement und Sensorik, in Echtzeit integrieren lassen, um die Forschung zu modernisieren und voranzutreiben.

Hobie Boeschenstein. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

James Thompson. Bildnachweis: USM/SeaTrac Systems

Das vollständige Video finden Sie auf Marine Technology TV.