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Antriebstechnik: Kleinstmotoren im Einsatz bei Tauchrobotern

Tiefsee-Tauchroboter müssen bis zu 10.000 Meter unter dem Meeresspiegel zuverlässig funktionieren und dabei enormen Drücken widerstehen – eine besondere Herausforderung unter anderem an die eingesetzte Antriebstechnik.

Kleinstmotoren auf Tauchgang Bildquelle: © Ronnie N. Glud

Die Suche nach fremdem Leben wird oft mit weit entfernten Planeten in Verbindung gebracht. Doch direkt vor unserer Haustür gibt es Bereiche, über deren Bewohner wir weniger wissen als über die Mars-Oberfläche. So ist es heute noch weitgehend unbekannt, welche bio­logischen und chemischen Prozesse in Tiefseegräben stattfinden. Das Forschungsprojekt ‚Hades-ERC‘ soll daher neue Einblicke in diese ozeanischen Abgründe ermöglichen.

Die sogenannte hadale Zone beginnt 6000 m unter der Wasseroberfläche und erstreckt sich bis zum Meeresboden. Ihr tiefster Punkt liegt im westlichen Pazifik im Marianengraben, etwa 11 km unter dem Meeresspiegel. Der Umgebungsdruck, der unter Wasser pro 10 m Tiefe um ein Bar steigt, beträgt dort dementsprechend 600 bis rund 1070 bar am tiefsten Punkt.

Hades-ERC-Roboter Bildquelle: © Ronnie N. Glud

Bild 1: Der Hades-ERC-Roboter nimmt Proben des Bodensediments und bringt diese zur Untersuchung an die Oberfläche.

„In der Meeresbiologie gibt es 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 10.000 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 2 % 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. Dabei stehen die Forscher vor zwei großen Schwierigkeiten:

DC-Kleinstmotoren im Tauchroboter Bildquelle: © Faulhaber

Bild 2: Die im Tauchroboter eingesetzten DC-Kleinst­motoren haben die Praxistests für den Einsatz unter den extremen Bedingungen der hadalen Zone problemlos überstanden.

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.

Auch der Roboter selbst muss in jedem Druckbereich von der Oberfläche bis zum Meeresboden zuverlässig funktionieren, damit er erfolgreich 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 auch verschiedene Bewegungen ausführen und viele Stunden autonom unter Wasser arbeiten.

Nach einem Praxistest hat sich das Team dafür entschieden, nur einen einzigen, besonders robusten, kompakten und gleichzeitig starken Motortypen aus dem Hause Faulhaber mit passendem Encoder und Planetengetriebe einzusetzen. Der verwendete Motor aus der Serie 2342 … CR (Bild 2) bietet bei gerade einmal 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.