Meeresforschung: MIT-Forscher entwickeln Unterwasser-Lokalisierungssystem

Wie kann ein Roboter im Meer geortet werden? Ein Team des MIT hat da eine Idee.

Artikel veröffentlicht am 5. November 2020, 11:50 Uhr, Werner Pluta

Batterieloser Sensor wird für einen Test von UBL im Wasser versenkt. (Bild: Reza Ghaffarivardavagh/MIT)

Kommunikation unter Wasser ist schwierig: Die an Land vielfach genutzten Funkwellen dringen nur wenige Zentimeter tief ins Wasser ein. Das bedeutet, dass auch das Satellitennavigationssystem GPS unter Wasser nicht funktioniert. Ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein System entwickelt, das eine Lokalisierung im Meer ermöglichen soll.

Das System arbeitet mit Schall. Es ist allerdings weniger dazu geeignet, die eigene Position zu bestimmen, sondern vielmehr dazu, Objekte im Wasser zu orten. Eine Schallquelle sendet Schallsignale unter Wasser aus. Das lokalisierende Objekte sendet ein Signal zurück. Aus der Laufzeit lässt sich dann die Position errechnen.

In das Signal können Daten codiert werden

Schall auszusenden ist energieintensiv. Damit die Empfangs- und Sendeeinheit keine Energiequelle braucht, baut das Team um dem MIT-Forscher Fadel Adib sie aus einem piezoelektrischen Material. Das erzeugt elektrischen Strom durch mechanische Verformung, in dem Fall durch die eintreffenden Schallwellen. Mit der dadurch erzeugten Ladung können dann Schallsignale zurückgeschickt werden. Ein Empfänger übersetzt die Folge von Reflexionen in ein Muster aus Einsen und Nullen. Darin können auch Daten codiert werden, etwa über die Temperatur oder den Salzgehalt des Wassers.

Das Problem bei Übertragung ist, dass die ausgesandten Schallwellen nicht direkt geradlinig vom Sender zum Empfänger laufen, sondern auch noch zur Oberfläche oder zum Grund und von dort ebenfalls reflektiert werden. Die reflektierten Signale kommen dann zu unterschiedlichen Zeiten am Ursprungsort an. Die störenden Reflexionen machten es kompliziert, den Ort zu berechnen, sagte Adib.

Signale werden auf verschiedenen Frequenzen ausgesendet

Um das zu vermeiden, setzen die Forscher ein Frequenzsprungverfahren ein: Statt nur eine Frequenz zu nutzen, sendet die Beobachtungseinheit eine Reihe von Signalen über einen Frequenzbereich aus. Jede Frequenz hat dabei eine andere Wellenlänge, so dass die reflektierten Schallwellen in verschiedenen Phasen zum Ausgangspunkt zurückkommen. Aus der Kombination aus Laufzeit und Phase lässt sich dann die Entfernung berechnen.

In tiefem Wasser funktioniert das gut. Im flachen Wasser hingegen werden Schallwellen vom Grund und der Oberfläche hin und her reflektiert, was für mehr Störungen sorgt. Deswegen musste das Team die Rate der ausgesandten Signale herabsetzen. Um allerdings ein sich bewegendes Objekt im Wasser verfolgen zu können, musste die Rate deutlich erhöht werden. "Bis man genügend Informationen erhält, um das Objekt zu lokalisieren, hat es sich bereits von seiner Position entfernt", sagte Teammitglied Sayed Saad Afzal.

Underwater Backscatter Localization (UBL) nennt das MIT-Team seine Entwicklung. Sie soll beispielsweise in der Meeresforschung eingesetzt werden. Damit könnten autonome Fahrzeuge unter Wasser geortet werden oder sie könnte ermöglichen, dass Unterwasserroboter präziser arbeiten.