Ocean Discovery X Prize: Autonome Fraunhofer-Roboter erforschen die Tiefsee
Für das Treppchen hat es nicht ganz gereicht, aber die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB haben trotzdem eines der besten aktuell verfügbaren Systeme für die Kartierung der Tiefsee entwickelt: Beim Shell Ocean Discovery X Prize(öffnet im neuen Fenster) kam das Team Arggonauts(öffnet im neuen Fenster) unter die letzten fünf von 32 Teilnehmern. Wie geht es weiter, wenn nach gut drei Jahren ein solches Projekt beendet ist?
Das Konzept der Fraunhofer-Forscher sieht ein Tandem aus einem autonomen Oberflächenfahrzeug, dem Water Strider, und einem autonomen Tauchboot, dem Great Diver, vor. Insgesamt haben sie fünf dieser Tandems gebaut, die im Schwarm ausrückten und autonom den Meeresboden bis in eine Tiefe von 4.000 Metern kartierten. Dadurch wird die Kartierung des Meeresbodens deutlich weniger aufwendig und damit günstiger als derzeit.
Gründe, die Tiefsee besser kennenzulernen, gibt es aber genug: Wir wissen heute über den Mond oder den Mars besser Bescheid als über die Tiefsee. Von der Auflösung der dreidimensionalen Geländestruktur her sind die Oberflächen der Himmelskörper besser kartiert als große Teile des Meeresbodens. Und das dürfte sich so schnell nicht ändern. Denn die Tiefseeexploration ist eine teure Angelegenheit. Bisher wird das von Forschungsschiffen aus gemacht, deren Einsatz gut und gerne einen niedrigen sechsstelligen Betrag kostet – pro Tag versteht sich.
Dass die Karten so schlecht sind, "ist natürlich an sich schon mal für einen erkenntnisgetriebenen Forscher ein unbefriedigender Zustand" , sagt Ulrich Pontes, Sprecher des Fraunhofer-Instituts in Karlsruhe, im Gespräch im Golem.de. Aber es geht nicht nur darum, das Gelände besser zu kennen. Wie viele Schiffe liegen noch auf dem Meeresgrund, die zu erforschen sich lohnen könnte? Außerdem gibt es dort unten viele Lebensformen, von denen wir noch nichts wissen, die wir aber kennen sollten, wenn wir sie schützen wollen.
Und schließlich gibt es wirtschaftliche Interessen: Das kann die – umstrittene – Suche nach Bodenschätzen wie Öl- und Gasvorkommen unter dem Meeresgrund, aber auch die nach unterseeischen Lagerstätten von Mineralien sein. Aber auch Unternehmen, die Seekabel verlegen und betreiben, hätten einen Nutzen davon.
Ziel des X-Prize war es deshalb, Systeme zu entwickeln, die die Tiefseeexploration ohne den großen Aufwand mit Forschungsschiff und großer Besatzung betreiben. Um das Pensum bis zum Finale zu schaffen, war einiges zu tun. "Es war in vieler Hinsicht sehr herausfordernd. Es ist auch die Natur und der Sinn solcher X-Prize- und ähnlicher Technologiewettbewerbe, dass man versucht, über eine Latte zu springen, die aus anfänglicher Sicht fast schon absurd hoch hängt" , sagt Pontes.
Das erforderte eine Arbeitsweise, die für die Fraunhofer-Forscher ungewohnt war. Da die Institute der Gesellschaft öffentliche Gelder erhalten, müssen sie sich an Vergaberichtlinien halten. Das bedeutet, Käufe oder Aufträge müssen ab einer bestimmten Geldsumme ausgeschrieben werden. So ein Verfahren dauere normalerweise drei bis sechs Monate. Vor allem dann, wenn das Bauteil dringend gebraucht wird, kann das die Nerven der Teammitglieder strapazieren. " Diese Randbedingung macht es natürlich nicht einfacher, unter Zeitdruck voranzukommen" , erzählt Pontes. "Das war schon eine fremde Welt für uns als Fraunhofer-Institut."
Für die kombinierte Software- und Hardware-Entwicklung entwickelte das Team eine agile Arbeitsweise basierend auf der Scrum-Methodik. "Da haben wir viel gelernt, das sind Erfahrungswerte, die bleiben – wo wir hier sonst doch ganz anders ticken" , sagt Pontes.
Kurz vor dem Finale wurde es noch mal hektisch: Logistische Probleme beim Transport der Ausrüstung und Pech mit dem Wetter behinderten das Finale in Griechenland. So erwies sich der Kran – trotz nominell ausreichender Nennlast – als ungeeignet, so dass ein anderer bestellt werden musste. "Manche Komponenten waren tatsächlich nicht so fertig und ausgetestet, wie wir uns das gewünscht hätten. In so einem Wettbewerb kommen wohl grundsätzlich nur Betaversionen zum Einsatz, aber wir waren an manchen Stellen noch im Alpha-Stadium. Deshalb hat auch nicht alles hundertprozentig funktioniert" , gibt Pontes zu.
Doch das Konzept hat sich mit den autonomen Tandems aus Water Strider und Great Diver als funktionsfähig erwiesen.
Tauchfahrzeuge für den X-Prize
Die Water Strider sind Katamarane mit aufblasbaren Rümpfen. Sie sind knapp sechs Meter lang und knapp drei Meter breit und mit einem etwa 7,4 Kilowatt starken Motor sowie mit Systemen zur Kommunikation und Positionsbestimmung über Satellit ausgestattet. Der Water Strider schleppt den Great Diver ins Einsatzgebiet und klinkt ihn dort aus.
Das Tauchboot ist 2,6 Meter lang, hat einen Durchmesser von knapp 60 cm und wiegt 350 kg. Ausgerüstet mit einem 370 Watt starken Elektromotor, einem Sonarsystem sowie einem Ultraschallkommunikationssystem taucht es bis zu 4.000 Meter tief ab, um den Meeresboden zu kartieren. Wichtig dabei ist die Positionsbestimmung. Dazu kommunizieren die Tauchfahrzeuge per Ultraschall mit den Oberflächenfahrzeugen und können über Triangulation ihren Standort errechnen. "Nicht das einzelne Fahrzeug zählt, sondern das Zusammenspiel im Schwarm ist ein Kernbestandteil der Idee" , erläutert Pontes. "Nur wenn mehr als ein Tandem im Einsatz ist, kann die Positionsbestimmung unter Wasser funktionieren."
Nach beendeter Mission taucht der Great Diver wieder auf und wird von dem Water Strider in einem dafür ersonnenen Manöver eingefangen. Dazu umkreist der Katamaran das Tauchfahrzeug in einer enger werdenden Spirale so lange, bis die Schleppleine im Great Diver eingehakt ist. Die Idee zu dem Manöver, das die Fraunhofer Forscher zum Patent angemeldet haben, soll einem der Teammitglieder in der Badewanne gekommen sein. Getestet haben sie es auf einem Altrheinarm.
Die Diver sind nicht aufgebaut wie ein herkömmliches U-Boot, sie haben nämlich keine Druckkammer. Stattdessen besteht die Hülle aus einem Polypropylenschaum, der auch für den Auftrieb sorgt. Sie ist aber nicht dicht, das Tauchfahrzeug ist offen und voll mit Wasser. Alle Teile sind so konstruiert, dass sie dem Druck von 400 bar in 4.000 Metern Tiefe standhalten. Die elektronischen Bauteile sind dazu druckneutral in Silikonkautschuk eingebettet – "Elektronik in Aspik" , nennen die Forscher das. Lediglich einige druckempfindliche Komponenten sind in einem Titanzylinder untergebracht.
Great Diver wie Water Strider wurden eigens für den Wettbewerb konstruiert. Es war aber schon einiges an Knowhow vorhanden, das für den Bau autonomer Unterwasserfahrzeuge nötig ist, auf das das Team um Projektinitiator und -leiter Gunnar Brink zurückgreifen konnte. So waren die Great Diver nicht die ersten autonomen Tauchboote in offener Bauweise, die am Fraunhofer IOSB konstruiert wurden. Zuvor hatte es schon Tietek und Dedave(öffnet im neuen Fenster) gegeben. Mit der Schwarmthematik hatten sich andere Institutsteile bereits beschäftigt, allerdings in der Luft, nicht unter Wasser.
"Für das Fraunhofer IOSB war das ganze Projekt ein Puzzleteil unserer Strategie zur Erforschung und Entwicklung autonomer Systeme für lebensfeindliche Umgebungen. Dieses Thema hat viele Aspekte, und Tiefseerobotik ist einer davon" , fasst Pontes zusammen. Dennoch geht es erst einmal nicht weiter mit den Arggonauts.
Wie geht es weiter
"Ein unmittelbares Anschlussprojekt gibt es nicht" , sagt Pontes. "Dass man genau diese Systeme für genau diesen Einsatzzweck, die Kartierung der Tiefsee, weiterentwickelt, ist jetzt erst einmal nicht der Fall." Es sei allerdings auch nicht das Ziel gewesen, Produktentwicklung zu betreiben, um danach ein Produkt auf den Markt zu bringen. Auch wenn zwischenzeitlich mit dem Gedanken an eine Ausgründung gespielt worden sei.
Interesse an den von Fraunhofer entwickelten Technologien ist vorhanden. So könnten die Water Strider bald ausrücken: Im Fraunhofer IOSB läuft gerade ein Projekt an, die autonomen Katamarane für die Kartierung von Binnenwasserstraßen weiterzuentwickeln – auch wenn das sicher eine weniger spannende Herausforderung sein dürfte für einen der weltbesten autonomen Tiefseekartierungsroboter.
Denn dazu gehören die Water Strider und Great Diver: Sie landeten unter den letzten fünf von immerhin 32 Teilnehmern. Die X-Prize Foundation hat nur den Sieger und den Zweiten gekürt. Weitere Platzierungen hat sie nicht vergeben. So hat das Team Arggonauts das gesetzte Ziel, unter die letzten zehn zu kommen, erreicht. Grund genug, stolz und zufrieden zu sein. "Andererseits wurmt es einen natürlich immer, ob nicht doch noch etwas mehr drin gewesen wäre" , sagt Pontes.
Gelohnt hat sich Teilnahme an dem X-Prize indes für Projektleiter Brink: Er wurde von einem neuen Arbeitgeber abgeworben – mutmaßlich aufgrund dieses Projekts, sagt Pontes. Denn vor dem Wettbewerb habe er nicht im Bereich Unterwasserrobotik gearbeitet, jetzt aber schon. "Technologietransfer durch Köpfe" heißt das bei der Forschungsgesellschaft. Auch wenn niemand gern gute Mitarbeiter verliert – solche Wechsel in die Industrie sind letztlich ein Bestandteil der Strategie von Fraunhofer, betont der Institutssprecher.