Strahlende Aussichten: Blaue Laser für die Tiefsee

Unterwasserbearbeitung mit blauem Diodenlaser – Perforation/Durchdringung einer 8 mm dicken Stahlplatte © Laserline

Von Schneiden und Bohren über Farbentfernung bis hin zur Beseitigung von Schiffsbewuchs – Unterwasserarbeiten im maritimen Bereich sind so vielfältig wie die Sandkörner am Strand. Einige dieser Anwendungen werden in Tiefen von mehreren tausend Metern durchgeführt. Ein neues Lasersystem auf Basis blauer Diodenlaser verspricht nun eine berührungslose, wartungsarme und kostengünstige Lösung für ein breites Spektrum an Unterwassereinsätzen.

Ob bei der Wartung von Offshore-Plattformen, der Stilllegung alter Ölbohrinseln oder der Inspektion von Unterwasserstrukturen – die Anforderungen an Präzision, Effizienz und Umweltverträglichkeit bei Unterwasserarbeiten steigen stetig. Gleichzeitig stoßen konventionelle Methoden hier schnell an ihre Grenzen. Gängige druckbasierte Verfahren, wie beispielsweise Hochdruckwasserstrahlen zur Algenentfernung, verlieren mit zunehmender Tiefe aufgrund des hohen Gegendrucks des Wassers an Wirksamkeit. Hinzu kommt, dass viele dieser Systeme wartungsintensiv sind und Verschleiß unterliegen. Mechanische Werkzeuge wie Kreissägen erzeugen wiederum beim Kontakt mit Bauteilen Rückstoßkräfte, die ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs) destabilisieren und häufig zu deren Abdrift führen.

Folglich besteht großes Interesse in der Industrie an berührungs- und kraftfreien, verschleißarmen und wartungsarmen Alternativen – Möglichkeiten, die insbesondere die Lasertechnologie bietet. Erste Versuche waren jedoch wenig erfolgreich. Der Einsatz konventioneller Infrarotlaser (IR-Laser) zum Schneiden von Strukturen bei der Stilllegung von Ölplattformen erwies sich als nur teilweise praktikabel. Der Hauptgrund: Infrarotstrahlung (Wellenlänge 1000 nm) wird von Wasser bereits nach wenigen Zentimetern vollständig absorbiert, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Für Unterwasseranwendungen kann das IR-Laserschneiden daher nur mit einer Luftdüse oder einer luftgefüllten Kammer durchgeführt werden – ein komplexes und kostenintensives Verfahren, das den Einsatz in größeren Tiefen ausschließt.

Blaue Laser als Schlüsseltechnologie

Ein neu entwickeltes Unterwasser-Lasersystem von Laserline, basierend auf blauen Diodenlasern, verspricht nun eine Lösung für diese Herausforderung. Im Gegensatz zu Infrarotstrahlung wird das von diesen Lasern emittierte blaue Licht mit einer Wellenlänge von rund 445 Nanometern von Wasser kaum absorbiert. Die Laser bieten daher eine exzellente Transmission, sodass (nahezu) die gesamte Laserleistung zur Verfügung steht – selbst wenn während der Bearbeitung Distanzen von bis zu einem Meter oder mehr überbrückt werden müssen. In Kombination mit Laserleistungen von bis zu 6 Kilowatt eröffnet dieser physikalische Vorteil zahlreiche neue Möglichkeiten für die kraft- und berührungslose Materialbearbeitung direkt unter Wasser – ohne Luftkammer oder andere komplexe Infrastruktur.

Laserline-Diodenlasersysteme bieten zudem höchste Präzision: So lässt sich beispielsweise die Laserfleckgröße mikrometergenau einstellen und die Leistung innerhalb von Millisekunden präzise regeln. Dank dieser schnellen Leistungsanpassung eignet sich das System besonders für komplexe Aufgaben in großen Tiefen.

Unterwasserbearbeitung mit blauem Diodenlaser – Perforation/Durchdringung einer 8 mm dicken Stahlplatte © Laserline

Effizient, flexibel, wirtschaftlich

Die Kombination aus hoher Effizienz und präziser Steuerbarkeit macht das neue Lasersystem technologisch und wirtschaftlich äußerst attraktiv. Die berührungslose Bearbeitung unter Wasser reduziert den Verschleiß von Werkzeugen und Bauteilen deutlich, senkt den Energiebedarf und minimiert die Freisetzung potenziell schädlicher Partikel oder Substanzen. Im Hinblick auf Umweltschutz und Ressourcenschonung ist das diodenlaserbasierte Verfahren herkömmlichen mechanischen oder chemischen Methoden – die häufig Umweltschäden und Materialbeeinträchtigungen verursachen – deutlich überlegen. Dies gilt insbesondere für die Entfernung von Meeresbewuchs, der bisher oft mit solchen Methoden behandelt wurde und somit Risiken für Umwelt und Bauteile birgt.

Das System bietet zudem neue logistische Vorteile. Während herkömmliche Wärmebehandlungsverfahren in der Tiefsee oft den Einsatz großer Spezialschiffe mit täglichen Kosten im fünf- bis sechsstelligen Bereich erfordern, kann das Diodenlasersystem dank seiner einfacheren Systemarchitektur auch von kleineren Versorgungsschiffen aus betrieben werden. Dies reduziert nicht nur Wartungs- und Betriebskosten und verkürzt die Reisezeiten erheblich, sondern erhöht auch die Systemverfügbarkeit und die Reaktionsfähigkeit der Einsatzteams deutlich. Insbesondere bei kurzfristigen Wartungsarbeiten oder Notfallreparaturen erzielen Unternehmen einen spürbaren operativen Vorteil.

Von Schneidprozessen bis zur Algenentfernung

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: Schneiden von Blechen und Rohren bei der Stilllegung von Ölplattformen, Entfernen von Beschichtungen, Farbe und Bewuchs, Inspektion und Wartung von Ventilen und tragenden Strukturen an Pipelines oder Offshore-Plattformen. Letztere sind insbesondere nach wenigen Betriebsjahren oft vollständig mit Algen bewachsen. Hier kann ein mit Laser und Kamera ausgestattetes ROV den Bewuchs entfernen und die Sicht auf kritische Bauteile in einem einzigen Tauchgang wiederherstellen – ein entscheidender Vorteil für Wartungsunternehmen und Unterwasserintegratoren. Auch robotergestützte Systeme für Pipeline-Inspektionen lassen sich sinnvoll mit einem Diodenlaser ausstatten.

Unterwasserbearbeitung – Entfernung von Algenbewuchs auf Steinen mittels blauem Diodenlaser vor der Weiterverarbeitung. © Laserline

Unterwasserbearbeitung – Entfernung von Algenbewuchs auf Steinen mittels blauem Diodenlaser während der Bearbeitung. © Laserline

Unterwasserbearbeitung – Entfernung von Algenbewuchs auf Steinen mittels blauem Diodenlaser nach der Bearbeitung. © Laserline

Linearer Schnitt von dünnem Metallblech © Laserline

Systemtechnologie

Je nach Anwendung wurden verschiedene Integrationsansätze für Diodenlaser entwickelt. Eine Möglichkeit besteht darin, das Lasersystem auf einem Workhorse-ROV zu montieren und es über ein herkömmliches Versorgungskabel von einem Versorgungsschiff aus fernzusteuern. Das Lasersystem mit einer Ausgangsleistung von bis zu 6 kW ist speziell gekapselt, um es dauerhaft vor Wasser, Druck und Schmutz zu schützen. Die konstant niedrigen Wassertemperaturen zwischen vier und sieben Grad Celsius, die in der Tiefsee herrschen, machen das integrierte Laserkühlsystem besonders effizient.

Je nach Anwendungsfall lassen sich die Lasersysteme kundenspezifisch anpassen. Die Unterwasserfahrzeuge können je nach Anwendung mit Laserscannern, fest installierten Optiken oder Diodenlasern unterschiedlicher Leistungsklassen ausgestattet werden. Die Entwicklung in diesem Bereich ist jedoch noch lange nicht abgeschlossen: Modulare Einzelkomponenten ermöglichen beispielsweise noch kompaktere Systemdesigns und reduzieren somit letztlich auch die Größe der ROVs. Weitere Optimierungen sind zu erwarten: Laserleistung und Energieeffizienz werden weiter steigen, und Bilderkennungssysteme lassen sich zukünftig potenziell mit KI kombinieren, um Bewuchs oder Korrosionsstellen automatisch zu erkennen.

Fallstudie: Reinigung von Schiffsrümpfen mit blauen Lasern

Die hervorragenden Transmissionseigenschaften blauer Wellenlängen in Wasser lassen sich auch zur Bekämpfung von Biofouling an Schiffsrümpfen nutzen. Im Forschungsprojekt „FoulLas“, gefördert von der Projektagentur Jülich mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), demonstrierten die Projektpartner Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Werkstoffforschung IFAM, Laserline GmbH und Laser Zentrum Hannover eV (LZH) erstmals, dass gezielte Unterwasser-Laserbestrahlung Meeresbewuchs wie Algen, Muscheln und Seepocken abtöten kann, ohne die darunterliegenden Schutzbeschichtungen zu beschädigen. Nach der Behandlung löst sich der abgestorbene Bewuchs während der nächsten Schiffsreise durch die Scherkräfte des Wassers auf natürliche Weise ab. Das Verfahren stellt eine vielversprechende Alternative zu mechanischen Verfahren dar, die häufig Beschichtungen beschädigen und lebende Organismen freisetzen.

Ein Folgeprojekt namens „FoulLas2“ setzt diese Laborergebnisse nun in die Praxis um: Ein halbautonomer, magnetisch haftender Unterwasserroboter, ausgestattet mit integrierter Laseroptik, wird systematisch den Schiffsrumpf abtasten und den Bewuchs direkt bestrahlen.

Fazit: Neue Maßstäbe in der Unterwassertechnologie

Insgesamt stellt der blaue Diodenlaser einen technologischen Meilenstein für die maritime Industrie dar. Er vereint Effizienz, Präzision und Umweltfreundlichkeit in einem kompakten System und eröffnet neue Möglichkeiten für die Unterwasserbearbeitung. Ob für die Wartung von Offshore-Plattformen, die Inspektion von Pipelines oder die Entfernung von Meeresbewuchs – der Laser bietet eine leistungsstarke und nachhaltige Lösung für zahlreiche Anwendungsbereiche. Für Service-, Wartungs- und Zulieferunternehmen im Unterwassersektor eröffnet das System neue technologische Horizonte und kann mittel- bis langfristig viele etablierte Verfahren der Unterwasserbearbeitung ersetzen.

Übertragungsleistungsfaktor von IR- und blauem Laserlicht unter Wasser © Laserline