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.

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

© Faulhaber

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.

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 – selbst 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.

Autoren:
Andreas Seegen ist Leiter Marketing bei Faulhaber;
Marco Antoni ist Mitarbeiter des ­Redaktionsbüros Stutensee.