Unterwasser-Kamera-System für 4.000m Meerestiefe

Das Alfred-Wegener-Institut Bremerhaven hat ein Unterwasser-Kamera-System entwickelt, welches über die Konzentration von Phytoplankton Werte zur Leistungsfähigkeit des Kohlenstoff-Zyklusses liefert. Mit dabei sind auch Beleuchtungen für bis zu 4.000m Tiefe.

Das Unterwasser-Kamera-System Rosina dient zur Untersuchung des Kohlenstoff-Zyklus anhand der Bestimmung von Phytoplankton in der Tiefsee. (Bild: Alfred-Wegener-Institut)

Der Kohlenstoffzyklus beschreibt den Austausch und die Speicherung von Kohlenstoff innerhalb des geschlossenen Systems Erde. Dieses wird dafür in unterschiedliche Erdsphären unterteilt, eine davon ist die Atmosphäre. Daneben existiert die Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre. Letztere ist auch als Erdkruste bekannt und mit 99,95% der größte Speicher von Kohlenstoff innerhalb dieses Systems. Die Lithosphäre besteht grob gesagt aus sieben großen tektonischen Platten. Diese haben eine mittlere Dicke von etwa 100km und überziehen die komplette Erde inklusive Meeresboden. Innerhalb dieser Platten befinden sich riesige Mengen an Kohlenstoff, welche sich teilweise seit Millionen von Jahren im Kohlenstoffzyklus befinden, z.B. in Sedimentgestein, Calcit oder Dolomit, jedoch auch in Form von Öl, Kohle und Gas. In Summe liegen so ca. 75Mrd. Gigatonnen an Kohlenstoff langfristig gespeichert. Diese CO2-Speicher sind über Jahr Millionen entstanden. Allerdings wurde über die letzten Jahrzehnte diese Langzeitspeicher auf Grund des enormen Energiebedarfs in größerem Umfang angezapft und somit der Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht gebracht.

Unterwasser-Kamera-System

Bild: Alfred-Wegener-Institut / Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG

Um die Auswirkungen dieses Eingriffs besser vorhersagen bzw. im Idealfall handhaben zu können, sind aktuell unterschiedlichste Institute und Forschungseinrichtungen damit beschäftigt, die Quellen und Senken von Kohlenstoff genauer zu bestimmen und zu vermessen. An dieser Stelle tritt das Alfred-Wegener-Institut (AWI) ins Bild. Dieses will mit Hilfe eines Unterwasser-Kamera-Systems herausfinden, an welchen Stellen und in welchen Größenordnungen Kohlenstoffsenken im Meer vorhanden sind. Dieses Wissen hilft zukünftig aussagekräftigere Klimamodelle zu erstellen. Weitere Einrichtungen, wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), unternehmen Anstrengungen, die Atmosphäre nach Kohlenstoffquellen zu untersuchen, sodass Klimamodelle weiter gestützt und verbessert werden können. Das AWI nutzt bei dieser Unternehmung die Eigenschaft von Phytoplankton, den anorganischen Kohlenstoff aus der Luft in organischen Kohlenstoff zu wandeln. Diese Wandlung findet während der Photosynthese statt. Das Phytoplankton und somit auch der organische Kohlenstoff dient wiederum Kleintieren, Fischen, Walen und Vögeln als Nahrung oder sinkt direkt in Form von Meeresschnee in die Tiefsee. Über unterschiedlich lange Zeitspannen gelangt somit ein Großteil des gebundenen, organischen CO2’s auf den Grund der Tiefsee zurück und wird langfristig in der Lithosphäre eingelagert.

(Bild: Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG)

Beleuchtungen für 4.000m Tiefe

Da das Phytoplankton die Schnittstelle zwischen Kurz-und Langzeitspeicher für CO2 darstellt, kann bei ausreichender Qualität der Daten zuverlässig prognostiziert werden, welche Mengen tatsächlich gebunden werden bzw. welche Auswirkungen langfristig bevorstehen. Um Daten für diese Aussagen zu erhalten ist das Unterwasser-Kamera-System Rosina (Remotely Observing Insitu Camera for Aggregates) mit speziellen Hintergrundbeleuchtungen von Falcon Illumination MV ausgestattet. Die Hintergrundbeleuchtungen wurden maßgefertigt, sodass sowohl die Bauform als auch die Befestigungsmöglichkeiten zum bestehenden System passen. Des Weiteren wurden alle Beleuchtungen ohne Vorwiderstände gebaut, was ein besseres Ansteuerverhalten mit sich bringt und das Temperaturmanagement verbessert. Vor allem beim Einsatz von Highpower-LEDs ist das Temperaturmanagement der leistungsbegrenzende Faktor. Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung von Beleuchtungen für den Einsatz in der Tiefsee ist der Druck. Da die Beleuchtungen in bis zu 4.000m Tiefe zum Einsatz kommen, ist absolute Dichtigkeit auch bei hohen Drücken Grundvoraussetzung. Die etwa 400Bar, welche in dieser Tiefe herrschen, würden das Gehäuse von gewöhnlichen IP-Beleuchtungen einfach zerdrücken. Als Lösung wurden die Beleuchtungen für das Unterwasser-Kamera-System nicht wie üblich im Gehäuse geliefert, sondern lediglich als Platine mit Anschlusskabel. Der anschließende luftfreie Verguss in einem speziellen Epoxy gewährleistet absolute Dichtheit bei gleichzeitiger Druckstabilität. Neben der Hintergrundbeleuchtung wurden zudem noch spezielle Linienleuchten mit vorgesetzter Linse gefertigt damit das Phytoplankton auch im Dunkelfeld bei horizontalem Lichteinfall betrachtet werden kann. Die Expedition mit dem Unterwasser-Kamera-System Rosina ist für April 2020 geplant.

Finanzierung: Helmholtz Infrastruktur Programm