Antriebe von Faulhaber nehmen 10000 Meter unter dem Meeresspiegel Sedimentsproben

Kleinstmotoren auf Tauchgang

Statt bemannten Tauchgängen setzen die Forscher auf einen autonomen Roboter. Bilder: Ronnie N. Glud
/

In Tiefseegräben gibt es aktive mikrobielle Lebensgemeinschaften, die in völliger Dunkelheit und bei Drücken von über 1000 bar leben. Meeresforscher gehen davon aus, dass diese Gräben einen starken Einfluss auf das Erdklima ausüben und haben daher ein Interesse, diese Mikroben zu untersuchen. Dazu tragen Kleinstantriebe bei, die dem extremen Druck widerstehen und am Meeresboden zuverlässig funktionieren.

Welche biologischen und chemischen Prozesse in Tiefseegräben stattfinden, ist noch weitgehend unbekannt. Das Forschungsprojekt «Hades-ERC» soll Einblicke in diese ozeanischen Abgründe ermöglichen. Die hadale Zone beginnt 6000 Meter unter der Wasseroberfläche und erstreckt sich bis zum Meeresboden. Ihr tiefster Punkt liegt im westlichen Pazifik im Marianengraben, etwa 11 Kilometer unter dem Meeresspiegel. Der Umgebungsdruck, der unter Wasser pro 10 Meter Tiefe um ein Bar steigt, beträgt dort dementsprechend 600 bis rund 1070 bar.

Leben in der hadalen Zone

«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 zum Beispiel Phytoplankton. Eigentlich ist daher in der hadalen Zone je nach Tiefe 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. «Unterhalb von 10000 Metern haben wir mehr organischen Umschlag gefunden als bei 6000 Metern», resümiert er. Deshalb geht er davon aus, dass die Gräben einen überproportional grossen Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffbilanz der Meere haben. Obwohl sie nur etwa zwei Prozent 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.

Tauchroboter erforschen die Tiefe

Bei der Untersuchung der hadalen Mikroben stehen die Forscher vor zwei grossen Schwierigkeiten: 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 funktionieren, damit er abtauchen, die Proben unter Druck sammeln, diese mit Fixierungsmittel konservieren und schliesslich samt den Proben wieder an die Oberfläche steigen kann. Der Antrieb, die Sensoren und die Werkzeuge, die das Sediment berühren, müssen zudem währenddessen verschiedene Bewegungen ausführen und viele Stunden autonom unter Wasser arbeiten.

Nach einem Praxistest hat sich das Team dafür entschieden, nur einen einzigen, robusten, kompakten und gleichzeitig starken Motortypen mit passendem Encoder und Planetengetriebe einzusetzen. Der Motor aus der Serie 2342 … CR von Faulhaber hat sich in der Tiefe bewährt und ist für den Einsatz unter solch extremen Bedingungen bestens geeignet. Die Kraftpakete bieten bei 23 mm Durchmesser und 42 mm Länge dauerhaft bis zu 19 mNm Drehmoment und ausserdem einen hohen Wirkungsgrad, sodass der Roboter mit nur einer Batterieladung lange autonom tauchen kann.

Motoren arbeiten unter Hochdruck

Ein normaler Motor würde schon weit oberhalb der hadalen Zone nicht mehr funktionieren – entweder, weil eindringendes Meerwasser ihn von innen heraus zerstört oder, wenn er dicht ist, der herrschende Umgebungsdruck ihn von aussen zerquetscht. Dementsprechend gibt es 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. Diesen Weg konnten die Forscher beim Hades-ERC für viele Komponenten mit einem druckfesten Titan-Zylinder gehen. 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.

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.