05.07.2019 • Optik

Virtuell abtauchen

Digitale Unterwassertechnologien bringen die Erforschung der Ozeane voran.

Unterwasserforschung ist aufwändig und für Menschen oftmals mit Gefahren verbunden. Doch es gibt inzwischen ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge – ROVs – und komplett autonom agierende Unterwasserfahrzeuge – AUVs. Mit unterwassertauglicher Kamera- und Sensortechnik ausgestattet, liefern sie wertvolle Aufnahmen und Erkenntnisse, die Wissenschaftler ohne ihren Einsatz nicht erhalten würden. In der Ostsee kommen die Tauchroboter unter anderem zur Wartung von Offshore-Anlagen, zur archäologischen Untersuchung von Schiffswracks oder zur Munitionsdetektion zum Einsatz.

Abb.: Ein neues modular aufgebautes Unterwasserfahrzeug wird vom Fraunhofer-IGD... — Abb.: Ein neues modular aufgebautes Unterwasserfahrzeug wird vom Fraunhofer-IGD mit einer intelligenten Kamera ausgestattet. (Bild: Fh.-IGD)

Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt MiRo-Base entwickeln mehrere Partner bis Ende 2020 einen einsatzbereiten Prototyp einer neuen Unterwasserfahrzeug-Generation. Dieser soll wendiger, flexibler und mit besserer Technik ausgestattet sein als Fahrzeuge, die heute im Einsatz sind. Anhand von zwei unterschiedlichen Testsystemen – einem Standard-ROV und einem eigens entwickelten bionischen Fahrzeug nach dem Vorbild der Meeresschildkröte – wird ein modulares Fahrzeugsystem entwickelt, das ausgestattet mit einer Vielzahl an Funktionen für unterschiedlichste Zwecke zum Einsatz kommen kann. Eben diese fehlende Multifunktionalität ist ein Manko der derzeit gängigen Standard-ROVs.

Im Rahmen des Projekts entwickelt das Fraunhofer-IGD eine intelligente Kamera, die in Echtzeit Unterwasseraufnahmen verbessert, also Trübe, Unschärfe, Lichtbrechungen herausrechnet und so das Bild – aufgenommen bei Tauchgängen mit den Unterwasserfahrzeugen – deutlich klarer macht. Gleichzeitig können ihre Algorithmen Objekte eigenständig detektieren und die bereits optimierte Ansicht sowie weitere Informationen live an den Operator des Fahrzeugs übermitteln. So dienen die Aufnahmen nicht nur wie bis dato zur Analyse nach der Tauchfahrt, sondern können noch während des Tauchgangs als wertvolle Datensammlung die Entscheidung über die nächsten Schritte beeinflussen. In Zusammenarbeit mit dem Landesverband für Unterwasserarchäologie Mecklenburg-Vorpommern werden in den nächsten Wochen bei Test-Tauchgängen zu Schiffswracks in der Warnow und Ostsee Standard-ROV-Systeme auf Herz und Nieren geprüft, um Anforderungen an eine detailliertere Steuerungsmechanik abzuleiten und den derzeitigen Entwicklungsstand des Kamerasystems zu testen.

Um auch in extremen Tiefen verwertbare Bildinformationen zu erhalten, müssen Unterwasserfahrzeuge mit leistungsfähigen Sensor- und Sonarsystemen ausgestattet werden. Etablierte Systeme auf Basis von optischen oder akustischen Sensoren haben heute noch erhebliche Defizite. Sie können oft nur in der Kombination verschiedenartiger Systeme und spezieller Trägerfahrzeuge ein hinreichend genaues und robustes Bild der Unterwassersituation, wie Bodenstrukturen, Kabel- oder Pipelineinstallationen, Organismenbesiedlung oder Rohstoffverteilung liefern. Auch hier arbeitet das Fraunhofer-IGD gemeinsam mit Partnern an einer Lösung: im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts „Akustisches Auge“ wird ein neuartiges akustisches 3D-Bildgebungs- und Vermessungssystem entwickelt. Bionische Erkenntnisse aus der Signalverarbeitung von Fledermäusen und Delphinen ermöglichen die Gewinnung und Echtzeitauswertung von komplexen akustischen Raum- und Spektralinformationen. Dank der Datenaufbereitung und Live-Visualisierung kann der Operator eines ROVs mittels einer Datenbrille die Beschaffenheit des Meeresbodens, teilweise sogar unterhalb der sichtbaren Oberfläche erkennen. Das kann nicht nur zur schnelleren Detektion von Schiffswracks beitragen, sondern auch verlegte Kabel oder Pipelines auf Lecks untersuchen oder zur Sondierung natürlicher Manganvorkommen genutzt werden. Zum jetzigen Zeitpunkt ist diese mit einer aufwändigen manuellen Ausmessung eines Gebiets mit anschließenden Bodenproben verbunden. Als intelligentes Sensorsystem in Unterwasserfahrzeugen übernimmt und erleichtert das „Akustische Auge“ Ausmessung, Detektion und genaue Definition des Manganvorkommens.

Ob die Entwicklung neuer Steuerungseinheiten oder Sensorsysteme für Fahrzeuge, das Testen von Bildverbesserungsalgorithmen oder die Erprobung neuester Schutzmaterialien für Offshore-Anlagen – alle Unterwassertechnologien haben eins gemein: Es fehlt bislang an der Möglichkeit, neue Entwicklungen unter echten Bedingungen zu testen. Strömung, Salzgehalt, Sichtbedingungen und alle weiteren natürlichen Einflüsse im offenen Meer lassen sich in Forschungsbecken und Drucktanks nur bis zu einem bestimmten Grad künstlich herstellen. Abhilfe soll das „Digital Ocean Lab“ schaffen, das vor der Küste Nienhagens eingerichtet wird und unter der Leitung des Fraunhofer-IGD Industrie wie Forschung mit verschiedenen angelegten Feldern eine optimale Umgebung für Praxistests unter realen Bedingungen bietet. Das Vorhaben ist der Ausgangspunkt für Rostocks Großprojekt „Ocean Technology Campus“, in dem der technologische Wissenstransfer verschiedener Akteure im Unterwasserbereich aus Wissenschaft und Wirtschaft durch optimale Rahmenbedingungen gelingen kann. Ein Forschungsverbund verschiedener Fraunhofer-Institute wird bereits im Herbst 2019 seine Arbeit im Rostocker Fischereihafen aufnehmen. Im Rahmen der internationalen Fachveranstaltung „Digital Ocean Convention Rostock“ fällt am 9. August der symbolische Startschuss für die Ausbauarbeiten des „Digital Ocean Lab“.

Fh.-IGD / RK