20. September 2023 Ι Das Forschungsprojekt “Triple-nanoAUV 2”, das am Marum – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen angesiedelt ist, konzentriert sich auf die Entwicklung eines autonomen Miniaturfahrzeugs für den Einsatz unter Eis. Das Ziel besteht darin, das Fahrzeug und alle zugehörigen Komponenten im Jahr 2026 in der Antarktis zu testen.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz unterstützte Triple-Projekt tritt nun in die zweite Förderphase ein.

Seit langem vermuten Wissenschaftler die Existenz von Wassermeeren unter den eisbedeckten Monden Enceladus und Europa. Denn Wasser könnte auch im All Leben bedeuten – selbst wenn es unter einer Eisschicht liegt. Die Erforschung solcher Gewässer, die unter einer kilometerdicken Eisschicht liegen, stellt jedoch sowohl auf der Erde als auch im All eine enorme Herausforderung dar: Wie können Technologien den mächtigen Eispanzer durchdringen und wie kann unter den dort herrschenden extremen Bedingungen eine Erkundung des Ozeans stattfinden? Welche wissenschaftlichen Sensoren sind notwendig, um nach Spuren von Leben zu suchen? Wie werden Proben gesammelt? Und wie kann all dies geschehen, ohne ein noch unbekanntes Ökosystem zu kontaminieren?

Die Entwicklung eines autonomen Miniaturfahrzeugs für die Erforschung eisbedeckter Seen

Das am Marum koordinierte Verbundprojekt “Triple-nanoAUV 2” befasst sich hauptsächlich mit diesen technischen Herausforderungen. Triple steht für “Technologies for Rapid Ice Penetration and subglacial Lake Exploration”, auf Deutsch “Technologien für die schnelle Eisdurchdringung und die Erforschung von mit Eis bedeckten Seen”. Das Projekt ist Teil der DLR Explorer-Initiativen zusammen mit den Triple-Verbundprojekten Triple-GNC und Triple-LifeDetect. Die Entwicklungen der Projekte sollen in Phase 2 zusammengeführt und gemeinsam bei einem Feldversuch unter dem antarktischen Schelfeis nahe der Neumayer III-Station im Frühjahr 2026 getestet werden.

Am Marum wird in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern aus den Bereichen Raumfahrt und Unterwasser-Akustik sowie assoziierten Triple-Projekten ein kleiner autonomer Unterwasserroboter – ein sogenanntes Autonomous Underwater Vehicle (AUV) – sowie ein LRS (Launch & Recovery System) entwickelt, mit dem das Fahrzeug unter Eis ausgesetzt und wieder geborgen wird. Das LRS soll es dem nanoAUV ermöglichen, an einer Unterwasserstation anzudocken, um gesammelte Daten zu übermitteln, seine Batterie aufzuladen und somit längere Zeit unter Wasser zu bleiben. Da das Fahrzeug als Nutzlast in einer Schmelzsonde durch das Eis transportiert werden muss, wird es wesentlich kleiner konstruiert als übliche Unterwasserfahrzeuge, nämlich mit einem Durchmesser von etwa zehn und einer Länge von etwa 50 Zentimetern.

Die Illustration zeigt einen Einsatz der Station, der Schmelzsonde und des nanoAUV. Mit dessen Hilfe soll ermöglicht werden, eisbedeckte Gewässer zu explorieren.

Nano-Fahrzeuge: Ein neuer Weg zur Erforschung verborgener mariner Ökosysteme

Unter dem Kontinentaleis der Antarktis werden in subglazialen Seen unbekannte Ökosysteme vermutet. Die Erkundung dieser Gewässer, die mit bis zu 4000 Metern dickem Eis bedeckt sind, ist technisch sehr anspruchsvoll.

“Solche Nano-Fahrzeuge können dazu beitragen, insgesamt ein besseres Verständnis für marine Ökosysteme zu erlangen”, sagt Projektleiter Prof. Ralf Bachmayer vom Marum – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen. “Das neue autonome System ist einzigartig und soll zukünftig auch die Erforschung der globalen Flüssigwasserozeane unter der eisigen Oberfläche des Jupiter-Eismonds Europa und des Saturnmonds Enceladus ermöglichen. Vor allem die Miniaturisierung ist dabei eine Herausforderung in der Entwicklung – hierfür gibt die Sonde die Maße vor. Zudem müssen alle Komponenten den hohen Drücken unter Wasser standhalten.”

“Unser Ziel ist es, Expertise innerhalb der DLR Explorer-Initiativen für einen Einsatz bei einer möglichen internationalen Raumfahrtmission zu sammeln. In ersten Feldversuchen wird die Schmelzsonde mit dem als Nutzlast integrierten nanoAUV zunächst bei einer Eisdicke von 100 Metern eingesetzt”, erklärt der leitende Ingenieur Sebastian Meckel. “Darüber hinaus ist das nanoAUV im Vergleich zu größeren autonomen Fahrzeugen unteraktuiert, das heißt, es ist nur eingeschränkt manövrierfähig. Dies alles erfordert eine sehr große Zuverlässigkeit und eine enge Abstimmung mit den assoziierten Partnern aus Triple-GNC und Triple-LifeDetect.“

Eine innovative Verbindung von Raumfahrt- und Tiefseeforschung

Das aktuelle Projekt, das auf den Verbundprojekten Triple-nanoAUV1 und Triple-MoDo aufbaut, setzt die Konzepte für das autonome Fahrzeug und eine Andockstation fort. Im Parallelprojekt Triple-IceCraft wurde bereits eine Schmelzsonde entwickelt, die dazu dient, die Eisdecke bei Neumayer III zu durchdringen und das nanoAUV im darunter liegenden Wasser freizusetzen. Zusätzliche assoziierte Projekte konzentrieren sich auf die Entwicklung von Navigationssoftware und der wissenschaftlichen Nutzlast für das autonome Fahrzeug. Ergebnisse aus dem Robex-Projekt, an dem das Marum maßgeblich beteiligt war, fließen ebenfalls ein. In diesem Projekt wurden erstmals Raumfahrt- und Tiefseeforschung miteinander verknüpft und robotische Systeme für extreme Umgebungen entwickelt.

Das Marum und die Universität Bremen leiten das aktuelle Projekt, wobei die Firmen DSI Aerospace Technologie GmbH aus Bremen und EvoLogics GmbH aus Berlin als Partner fungieren. Das Projekt hat ein Gesamtfördervolumen von 2,68 Millionen Euro und ist bis September 2026 angesetzt. Die Gesamtkoordination der Triple-Projektlinie liegt bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. In der zweiten Phase sind neben Triple-nanoAUV die Parallelprojekte Triple-GNC (Navigation und Steuerung), Triple-LifeDetect (wissenschaftliche Nutzlast) und Triple-FRS 2 (Vorfelderkundungssystem zur Implementierung in den Schmelzkopf der Einschmelzsonde) Teil des Projekts. Die Projektlinie ist Teil der DLR Explorer-Initiativen.

Das Marum ist ein Zentrum, das sich auf die Erforschung der Rolle des Ozeans und des Meeresbodens im Kontext des gesamten Erdsystems konzentriert. Es untersucht die Dynamik des Ozeans und des Meeresbodens, die durch eine Vielzahl von Prozessen – geologisch, physikalisch, biologisch und chemisch – geprägt wird. Diese Prozesse beeinflussen das Klima und den globalen Kohlenstoffkreislauf und führen zur Entstehung einzigartiger biologischer Systeme.