Dr. Peter Linke Abteilung Marine Umweltgeologie, GEOMAR - Forschungszentrum für Marine Geowissenschaften an der CAU Kiel.
Dr. Olaf Pfannkuche Abteilung Marine Umweltgeologie, GEOMAR - Forschungszentrum für Marine Geowissenschaften an der CAU Kiel

GEOMAR Lander erkunden die Tiefsee
Peter Linke, Olaf Pfannkuche
GEOMAR - Forschungszentrum für Marine Geowissenschaften an der CAU Kiel

GEOMAR gehört weltweit zu den führenden Institutionen in der Konstruktion und im Einsatz von Tiefsee-Landern. Dies sind autonome Trägersysteme für Langzeitbeobachtungen und Experimente am Tiefseeboden. Sie werden durch Ballastgewichte zum Meeresboden gezogen und treiben nach akustischer Auslösung der Gewichte mit Hilfe von Auftriebskugeln wieder auf zur Meeresoberfläche (Abb. 1)

Abb. 1: Freifall-Lander ausgerüstet mit einem akustischen Strömungsmesser und Stereo-kamerasystem für Langzeitbeobachtungen, die gelben Schalen enthalten die Auftriebskörper.

Lander können verschiedene Beobachtungs-, Meßsysteme und Experimentiereinheiten beherbergen, die in ihrer Funktion elektronisch gesteuert werden und mit eigener Energieversorgung versehen über Monate autonom in der Tiefsee arbeiten. Bis zu einer maximalen Wassertiefe von 6000m nehmen die Geräte nach einem vorher eingespeichertem Programm Sediment und Wasserproben, messen z.B. Temperatur, Salzgehalt, Strömungs-richtung und -stärke und Sauerstoff-gehalt. Die Meßdaten werden auf elektronischen Medien gespeichert.

In speziellen Kammern werden direkt am Meeresboden Messungen und Experimente durchgeführt, die im Labor unter dem in diesen Wassertiefen herrschenden Druck von 600 atm nur schwer realisierbar sind (Abb. 2). Hier lastet auf jedem Quadratzentimeter ein Druck von 600 kg. In Kombination mit modernster Labortechnik werden so die Grundprozesse der Lebensvorgänge studiert, die auch für die Entwicklung des Lebens selbst eine entscheidende Rolle spielten. So wird die Tiefsee als Laborraum genutzt, um bei Analysen die jeweiligen Umweltparameter ungestört nutzen zu können. Lander werden vom GEOMAR insbesondere in den Forschungsschwerpunkten Gashydrate, biogeochemische Stoffkreisläufe und Klimaforschung eingesetzt.

Abb. 2: Ausgelegter Köder zur Dokumentation der Nahrungsaufnahme von Aasfressern in der Tiefsee.

Als entscheidender technologischer Entwicklungsschritt auf diesem Gebiet wurden von GEOMAR video-gesteuerte Absetzeinheiten (Launcher) für Lander realisiert und mit großem Erfolg im letzten Jahr auf dem deutschen Forschungsschiff SONNE eingesetzt (Abb. 3 und 4). Diese Einheiten wurden entwickelt, um die komplexen Lander-Systeme kontrolliert und gezielt an bestimmten Lokationen am Meeresboden abzusetzen, z. B. an untermeerischen Quellen oder an Gashydraten. Der Launcher trägt 2 Videokameras und Scheinwerfer sowie eine bidirektionale Unterwassertelemetrie, die über das Schiffskabel Daten- und Videosignale, Steuerbefehle sowie die Stromversorgung überträgt. Dies geschieht in der Regel über armierte Koaxialkabel; auf FS SONNE steht als derzeit einzigem deutschen Forschungsschiff ein Hybridkabel mit Kupfer- und Glasfasern zur Verfügung. Dies ermöglicht eine on-line Übertragung gestochen scharfer Schwarz/Weiß- oder Farbvideosequenzen sowie auch großer Datenmengen, wie sie z.B. für Seitensicht-Sonargeräte notwendig sind. Der Lander wird in Bodensicht und in einem gewissen Abstand über den Meeresboden geschleppt. Nach Sichtung einer geeigenten Absetzposition wird der Lander durch ein elektrisches Signal über das Schiffskabel und die Telemetrie vom Launcher und damit von der Verbindung zum Schiffskabel abgekoppelt. Dabei kann der Lander gegenüber freifallenden oder im Blindflug eingesetzten Geräten sanft auf der Meeresbodenoberfläche aufgesetzt werden, ohne die Strukturen zu beschädigen, die eigentlich untersucht werden sollen.

Abb. 3: Ausbringen eines video-geführten Lander-Systemes zur Probennahme und Messung der Austromraten von Fluiden an untermeerischen Quellen; oberhalb der gelben Auftriebskugeln befindet sich die Absetzeinheit (Launcher).

Nach dem Absetzen des Landers wird der Launcher wieder zurück an Bord des Schiffes gehievt und steht für den nächsten Einsatz zur Verfügung. Der Lander kehrt nach akustischem Auftauchkommando und Abwurf des Ballastes mit seinem Restauftrieb wieder an die Meeresoberfläche zurück, wo er vom Schiff aufgenommen wird.
Das nächste Ziel ist die Entwicklung von Langzeitobservatorien für Einsätze bis zu einem Jahr. Langzeitobservatorien werden neben der Anwendung in der Grundlagenforschung verstärkt in der Meeresüberwachung angewendet werden. Der Bau und die Entwicklung dieser komplexen Systeme wird von GEOMAR in Zusammenarbeit mit KMUs, die am Standort Seefischmarkt angesiedelt sind, durchgeführt.

Dank
Wir danken folgenden Mitarbeitern, die in den letzten Jahren an der Entwicklung der GEOMAR Landertechnologie mitgearbeitet haben:
F. Appel, B. Bannert, A. Cremer, V. Nuppenau, A. Petersen, M. Poser, W. Queisser, R. Rimek, Dr. U. Witte.

Abb. 4: Ausbringen des video-geführten Kammer-Lander zur Bestimmung des Stoffumsatzes am Tiefseeboden.

Dr. Uwe Waller, Abteilung Fischereibiologie, Institut fuer Meereskunde an der CAU Kiel.

Wissenstransfer in die Aquakultur(Kreislauftechnologie)
Aquakultur umfasst die Vermehrung und Aufzucht aquatischer Organismen (Fische, Weichtiere, Krebstiere, Pflanzen). Die Zucht erfolgt u.a. in natürlichen oder künstlichen Teichen, in Einfriedungen oder industriemäßig in Netzkäfigen und Becken. Aquakultur wird historisch vom Menschen betrieben.

Heute ist die Aquakultur ein schnell expandierender Sektor. In Entwicklungsländern leistet die Aquakultur einen wichtigen Beitrag zur Ernährung (Proteinversorgung) der Bevölkerung, während in Industrieregionen teurere, auf den Märkten begehrte Produkte erzeugt werden. Die Aquakultur basiert heute vielfach noch allein auf der Nutzung natürlicher Nahrungsketten in einfachen, artisanalen Systemen und nicht auf industriellen Aquakultursystemen, in denen konfektionierte Futtermittel eingesetzt werden. Das hier vorgestellte Projekt befasst sich mit der industriemäßigen Aquakultur (Marikultur) von Fischen.

Die Wachstumsrate der Aquakultur betrug im Zeitraum 1984-1996 im Mittel 11.8 % im Jahr. Der Weltertrag beträgt 28 Millionen Tonnen Fisch (1997).

Abb.1

Die Aquakultur ergänzt die kommerzielle Fischerei, die momentan für viele genutzte Fischbestände konstante bis rückläufige Fangerträge verzeichnet. Veränderungen natürlicher Ökosysteme, ökonomische Verluste und internationale Konflikte sind Vorboten eines allmählichen Verlustes wichtiger Fischereiressourcen. Eine Steigerung der Aquakulturproduktion wird diese Defizite nur zu einem Teil kompensieren können! Über die Rohstoffe (Fischöl, -mehl) für die Futtermittel sind Aquakultur und Fischerei gekoppelt. Ebenso bestehen Bindungen dadurch, dass Aquakulturen im Lebensraum von Fischen (z.B. Flachwassergebiete der Küsten), operieren. Eine unkontrollierte Expansion der Produktion (Abb. 1) kann im ungünstigen Fall negativ auf die Fischerei rückkoppeln. Wichtig für eine umweltverträgliche Entwicklung der Aquakultur sind neue, ressourcenschonende Konzepte und Biotechnologien, wie zum Beispiel das hier vorgestellte Kreislaufsystem.

Die Wachstumsrate der Fischerei beträgt momentan unter 1 % im Jahr. Der Weltertrag der Fischerei beträgt 94 Millionen Tonnen (1997).

Abb. 2

Neben traditionellen Produktionsformen im Süßwasser (Teichwirtschaften) werden Standorte entlang der Küsten für die Aquakultur (Marikultur) von Meeresfischen eine zunehmende Rolle spielen. Landbasierte Zuchtsysteme und insbesondere geschlossene Kreislaufsysteme werden aufgrund der umweltfreundlichen Technologie (Vermeidung von Einträgen in die Umwelt) in Zukunft an Bedeutung (Abb. 2) gewinnen. Die Optimierung der Kreislauftechnologie für die Zucht von Meeresfischen ist Ziel des hier vorgestellten Projektes.
Die Entwicklung von Kreislaufsystemen ist eng an die Biologie bzw. Physiologie der Zielarten gekoppelt. Das Institut für Meereskunde (IfM) verfügt über die Expertise aus der Grundlagenforschung - eine gute Voraussetzungen für eine Umsetzung neuer Konzepte in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Wirtschaft. 1996 wurde mit der Region K.E.R.N. eine Informationsveranstaltung zur Aquakultur durchgeführt, auf der Problemfelder dargestellt und neue Konzepte vorgestellt wurden. Ein wichtiger Aspekt war die Zusammenführung von Forschung, Technik und Wirtschaft. Daraus entstanden Initiativen in Schleswig-Holstein, an denen das IfM mitgearbeitet hat. Seit mehr als vier Jahren arbeitet das Institut an einem Industrieprojekt mit dem Ziel, eine verbesserte und wirtschaftliche Kreislauftechnologie für marine Organismen zu entwickeln. Die Partner aus der Wirtschaft sind als Technologiepartner die Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH und als Wirtschaftsberatung die Firmen CNP (Chilian, Noll und Partner GBR) und Ultima Thule AG.

Aquakultur hat einen Anteil von 6 % an der Welttierproduktion (Fleischproduktion) und macht 10 % der Weltproteinproduktion aus.

Der Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) ist eine wichtige Art der Aquakultur im Mittelmeerraum. Standorte für die Produktion sind knapp. Die Produktion in Kreislaufsystemen ist eine Alternative.

Abb.3

Die Zusammenarbeit zielt auf die Konstruktion einer Kreislaufanlage für die Aufzucht von Wolfsbarschen (Dicentrarchus labrax), wobei Erkenntnisse aus neuster internationaler Forschung einfließen. Die Verbesserungen der Biotechnik bezieht sich zum Beispiel auf eine effizientere Wasseraufbereitung, wobei Konzepte, die schon seit mehr als 28 Jahren im IfM eingesetzt werden eine Grundlage bilden. Aspekte des Tierverhaltens und der Pathologie (Krankheitsvermeidung) sind weitere Schwerpunkte grundlagenwissenschaftlicher Untersuchungen. Numerische Modelle auf der Basis biologischer bzw. physiologischer Daten (Parametrisierung von Stoffwechselprozessen) waren die Basis für die ingenieurmäßige Umsetzung. Die ersten theoretischen Konstruktionen wurden durch die Firma Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH in einem Technologieträger umgesetzt und anhand der Betriebsdaten wurden Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchgeführt, die in die weiteren Konstruktionsschritte einflossen. Alle Schritte wurden hinsichtlich der biologischen Zulässigkeit überprüft. Der Technologieträger(Abb. 4) - ein funktionsfähiges Kreislaufsystem - wird bei Hannover betrieben und eine zweite Generation wird demnächst im IfM als Forschungsmodul verfügbar sein.

Abb. 4

Kommerzielle Produktionssysteme für Wolfsbarsche müssen eine Mindestkapazität von ca. 300 t Produktion im Jahr haben.
Diese Zahl bezieht sich auf den Wirtschaftsraum Europa und ist unabhängig von verschiedenen Expertengruppen ermittelt worden.

Der Erfolg des Projektes beruht auf der konsequenten Einbeziehung verfügbaren Wissens aus biologischer Grundlagenforschung, Technik, Anlagenbau und Betriebswirtschaft - auf der kompetenten und zuverlässigen Zusammenarbeit aller Beteiligten. Das Resultat ist eine Niedrigenergie-Biotechnologie, wie sie von Fachleuten der Fischindustrie aus Gründen der Wirtschaftlichkeit gefordert wird. Die Messwerte, die mit dem Technologieträger gewonnen wurden weisen eine hohe Wasserqualität nach; die Produktqualität ist einwandfrei.

<Allgemeines> <Richtlinie> <Preisträger 1993> <Preisträger 1995>

<Preisträger 1997> <Preisträger 1999> <Preisträger 2001>

<Preisträger 2003> <Downloads>