Von Sascha Lehmenhecker |
Das Alfred-Wegener-Institut setzt seit vielen Jahren Druckgehäuse aus Titan in der Tiefsee ein. Dieser Werkstoff erwies sich, bis auf den Preis, ideal zum Bau von Druckbehältern. Titan-Druckgehäuse wurden bereits bis zu einer Wassertiefe von 11 km eingesetzt. Die Gehäuse müssen in dieser Tiefe einem Druck von 1100 bar entgegenwirken, was in etwa dem Gewicht von 60 Boeing 747 auf einem Quadratmeter entspricht. Titan hat sich etabliert, aber um in Zukunft preiswerter Forschung betreiben zu können, müssen Forscher und Ingenieure nach anderen Materialien Ausschau halten. Beton könnte gerade beim Bau von größeren Gehäusen, z. B. zum Transport von Energie (Batterien) in die Tiefsee, zukünftig eine wichtige Rolle spielen.
Auf der Suche nach kostengünstigen Alternativen zu den teuren Titan- oder Edelstahlbehältern, arbeiten Ingenieure des AWI und der Technischen Universität Dresden in dem Projekt ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) eng zusammen, um einen Werkstoff zu finden, der über einen langen Zeitraum sowohl druckstabil als auch korrosionsbeständig ist. Im ROBEX-Projekt arbeiten insgesamt 16 renommierte deutsche Forschungsinstitutionen gemeinsam und interdisziplinär an Technologien zur Erkundung und Erforschung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen. Die TU-Dresden ist hierbei der Spezialist rund um den Baustoff Beton.
Bei der Fertigung des ersten Beton-Druckgehäuses kam ein spezieller Beton zum Einsatz, der durch die Zugabe von sehr feinem Bauxit (Korngröße kleiner als 1 mm) und durch die Zugabe von Silicastaub eine deutlich höhere Festigkeit hat als „Normalbeton“. Durch die Form-Optimierung des Gehäuses, konnte auf die Verstärkung des Baustoffes durch die Einarbeitung einer Stahl-Armierung, wie es normalerweise bei Beton Konstruktionen üblich ist, verzichtet werden. Das Gehäuse hat einen Außendurchmesser von 25 cm und eine Wandstärke von nur 2,5 cm. Für den Langzeitversuch in der arktischen Tiefsee befanden sich im Inneren des Gehäuses, zwei Datenaufzeichnungsgeräte. Eines dieser Geräte zeichnete die Kräfte in Umfangsrichtung auf, der andere die Luftfeuchte und die Temperatur.
Das Beton-Gehäuse wurde während einer Arktis-Expedition der Polarstern am 11. August 2015, mit einem freifallenden System („Bottom-Lander“) in einer Wassertiefe von 2497 m im LTER (Long-Term Ecological Research) Observatorium Hausgarten des Alfred-Wegener-Institutes abgesetzt. Bei dem „Bottom-Lander“ handelt es sich um ein Absetzgestell, welches mittels Auftriebskörpern und Gewichten in der Lage ist, selbständig zum Meeresboden zu sinken und nach dem Abwurf der Gewichte auch selbständig wieder auftaucht. Das Beton-Gehäuse wartete ein ganzes Jahr bei einer Wassertemperatur von fast -1°C und einem Umgebungsdruck von ca. 250 bar in den Tiefen des Arktischen Ozeans auf seine Bergung.
Am 25.06.2016 war es dann endlich soweit, wir lösten über ein akustisches Signal die Gewichtsplatten des „Bottom-Landers“ und warteten gespannt auf dem Aufstieg. Etwa 45 Minuten brauchte das Freifallgerät um mit einer Geschwindigkeit von knapp 1 m/s aufzusteigen. Als der „Bottom-Lander“ schließlich an Deck gehievt wurde, konnten wir mit großer Freude feststellen, dass das Gehäuse den extremen Umgebungsbedingungen problemlos standgehalten hat.
Während dieses erste Beton-Druckgehäuse noch einen aus Edelstahl gefertigten Deckel für Kabeldurchführungen besitzt, wurde bei einem Folgemodell der TU- Dresden komplett auf Stahl verzichtet. Bei dem neuen und zudem größeren Druckgehäuse besteht auch der Deckel aus Beton. Testen wollen wir das neue Gehäuse wiederum an einem unserer „Bottom-Lander“, der gegen Ende der aktuellen Polarstern-Expedition für ein Jahr auf einer Wassertiefe von knapp 2500 m im Bereich des Hausgarten Observatoriums ausgebracht wird.
Wir sind guter Hoffnung, dass auch das „Voll-Beton“-Gehäuse die extremen Bedingungen im tiefen Arktischen Ozean unversehrt übersteht und freuen uns bereits jetzt auf seine Bergung im Sommer 2017.