Subsea Mobility & Autonomy

Stand der Forschung und Entwicklung

Unterwasserfahrzeuge und -geräteträger sind in vielerlei Hinsicht etablierte Techniken. Hierbei wird zwischen bemannten und unbemannten Fahrzeugen unterschieden. Der Trend zu immer mehr unbemannten UW-Systemen zielt auf eine enorme Kosten- und Zeitersparnis sowie eine deutliche Erhöhung der Arbeitssicherheit. Bei diesen Systemen wird zwischen kabelgebundenen und autonomen Fahrzeugen unterschieden. Die kabelgebundenen Fahrzeuge, auch Remotely Operated Vehicles (ROV) genannt, werden heute regelmäßig zur Inspektion, aber auch zur Verrichtung schwerer Arbeiten unter Wasser genutzt, z.B. zum Verlegen von Unterwasserkabeln (Trencher) und beim UW-Bergbau (Crawler). Aufgrund der Kabelanbindung ist es allerdings notwendig, die Operationen mit einem Schiff zu begleiten, welches das Ausbringen und Einholen des ROVs sowie dessen Energieversorgung und Steuerung übernimmt. Zur Erkundung großer Seegebiete, für permanente Monitoringaufgaben, aber auch, um Wetterfenster für Offshore-Arbeiten weiter zu öffnen, werden verstärkt autonome Unterwasserfahrzeuge eingesetzt (Autonomous Underwater Vehicle = AUV, im Speziellen auch Glider, Drifter, etc.). Hierbei stellen die Energieversorgung sowie die Positionierung und Kommunikation die größten Herausforderungen dar.

Sascha Kosleck

Prof. Dr.-Ing.
Sascha Kosleck

Universität Rostock, Lehrstuhl für Meerestechnik (URO-LMT)

Oskar-Kellner-Institut (OKI) / Raum 104
Justus-von-Liebig-Weg 2
18059 Rostock
+49 381 498 9230
per E-Mail kontaktieren

Marktpotenziale und Trends

Das Ziel von OTC-BASE, einem der entwickelten Flagship-Projekte, ist es, diese Herausforderung zu überwinden. Bestünde die Möglichkeit, AUVs mit ausreichend Energie zu versorgen, mit ihnen über große Distanzen zu kommunizieren und gleichzeitig ihre Position zu bestimmen, so würde dies die Erschließung der Unterwasserwelt mit Hilfe autonomer Fahrzeuge nicht nur deutlich vereinfachen, sondern erheblich beschleunigen. Zusätzlich gilt es, die Effizienz der Antriebe wie in OTC-Thruster zu verbessern und den Energieverbrauch durch geeignete Fortbewegungskonzepte wie in OTC-FlyingARGO zu minimieren. Neben den technischen Herausforderungen finden sich derzeit noch starke Einschränkungen bzgl. Dokumentation und Zugänglichkeit bereits bestehender Systeme. Dies ist vor allem durch wirtschaftliche Faktoren getrieben. Als Folge sind die sehr kostspieligen Systeme unterschiedlicher Hersteller kaum miteinander kombinierbar. Die Definition von Standards scheitert oft an der Vielzahl von Akteuren. Um hier eine Verbesserung zu erreichen, können Open Innovation- und Open Source-Ansätze dazu beitragen, Entwicklungen auf breiter Basis voran zu bringen, die hersteller- und systemunabhängig sind und dadurch schneller Einzug in die wirtschaftliche Verwertung halten können.

Die UW Mobility & Autonomy verlangt nach ausgeprägten Kenntnissen in den Bereichen Schiffs- und Meerestechnik, Konstruktion, Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Antriebs- und Energietechnik, Sensorik, UW-Kommunikationstechnik, Informatik sowie Regelungstechnik und Robotik. Insbesondere durch die beteiligten Lehrstühle der Universität Rostock, sowie ergänzende Kompetenzen der Forschungsgruppe Smart Ocean Technologies, werden diese Kompetenzen in der erforderlichen Breite und Tiefe eingebracht. Zudem können die Wissenschaftler auf etablierte Beziehungen zu verschiedenen regionalen Unternehmen zurückgreifen, über die sie mit Verbundprojekten bereits kooperieren.

Mittel- und langfristig geht der Trend hin zu autonom agierenden Schwärmen, die sich selbst organisieren, versorgen, intern und extern kommunizieren und somit selbstständig Erkundungs-, Monitoring- und Wartungsmissionen durchführen. In OTC-BASE wird die Erprobungsinfrastruktur geschaffen, sodass später solche Systeme entwickelt werden können. Um diese autonomen Systeme zu realisieren, bedarf es, analog zum GPS an Land, eines Unterwasser-Ortungssystems, welches im Gegensatz zum GPS auf unterschiedliche Plattformen verteilt aufgebaut werden muss, um eine große räumliche Abdeckung zu erreichen. In diesem Zusammenhang stellt die Sicherstellung der Energieversorgung der Systeme eine grundlegende Entwicklungsaufgabe dar. Dabei ist die Entwicklung neuer Systeme nicht nur für die Wandlung, sondern vor allem für die Speicherung und Übertragung von Energie von entscheidender Bedeutung. Der Batteriemarkt für autonome Unterwasserfahrzeuge verzeichnet ein stetiges jährliches Wachstum. Für Regionen fernab von jeglicher Netzinfrastruktur sind unterschiedliche Methoden des Energie-Harvestings (chemische und/oder biologische Prozesse, Strömung- und Wellenergie) zu betrachten, welche den lokalen Gegebenheiten angepasst sind. Smarte Systeme zum Energie-Management, sowie eine Echtzeitmodellierung der künftig bereitstehenden und benötigten Energiemengen, sind dafür unerlässlich und von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Mit dem Projekt OTC-BASE werden wichtige technologische Grundlagen geschaffen, um in Zukunft weitaus schneller und effektiver als bisher Technologien unter Wasser erproben und optimieren zu können.

Projekte aus dem Forschungsfeld Subsea Mobility & Autonomy


OTC-BASE

Mit OTC-Base werden wir die technologische Basis für neu entwickelte Unterwassertechnologien bereitstellen. Wir schaffen eine Infrastruktur, die es ermöglicht, neue innovative Entwicklungen im Unterwasserbereich schnell und unkompliziert zu testen und in bestehende Systeme zu integrieren. Dafür setzen wir neue Standards, die in der Lage sind, eine Vielzahl an meerestechnischen Systemen miteinander zu verbinden und gleichzeitig genug Raum für innovative Ansätze bieten. Weitere Informationen gibt es hier.

OTC-BASE stellt die technologische Basis für alle im Rahmen des OTC geplanten Entwicklungsvorhaben dar. Dabei sollen innerhalb von OTC-BASE sowohl methodische als auch technologische Entwicklungen in gleicher Weise Berücksichtigung finden. Ziel ist es, eine physische Entwicklungsumgebung bereitzustellen, um zielgerichtet an Unterwasser-Technologien zu forschen, die in Zukunft eine weitgehend autonome Erforschung der marinen Umwelt möglich machen. Durch OTC-BASE wird innerhalb des Clusters die Möglichkeit geschaffen, neue Technologien und Systeme unkompliziert und wesentlich schneller als bisher unter realen Bedingungen, z.B. am Digital Ocean Lab (DOL), zu erproben. Das Projekt stellt im ersten Ansatz eine am Meeresboden installierte modular aufgebaute Infrastruktur dar, die in späteren Entwicklungsstufen durch mobile Systeme ergänzt wird. Mit OTC-BASE werden bislang fehlende Brückentechnologien für Unterwasseranwendungen entwickelt und bis zur vorindustriellen Produktreife begleitet.

Louis Rautmann

M.Sc.
Louis Rautmann

Projektkoordinator

Universität Rostock, Lehrstuhl für Meerestechnik (URO-LMT)
+49 381 498 9245
per E-Mail kontaktieren


Jonas Thyrann

M.Sc.
Jonas Thyrann

Projektkoordinator

Universität Rostock, Lehrstuhl für Meerestechnik (URO-LMT)
+49 381 498 9236
per E-Mail kontaktieren

OTC-Flying ARGO

Im Projekt OTC-FlyingArgo entwickeln wir einen autonomen OpenSource-Unterwassergleiter. Das System soll zur Erhöhung der zeitlichen und räumlichen Auflösung bei der Beobachtung ozeanographischer Prozesse beitragen sowie Lücken in bestehenden, globalen Monitoringnetzwerken zur Ozeanüberwachung schließen. Neben einem neuartigen „passive-flapping-foil“ Gleitkonzept, werden ein intelligentes Navigations- und Regelungssystem sowie ein modularer Systemaufbau implementiert.

Durch den fortschreitenden Klimawandel gewinnt die Beobachtung von physikalischen sowie zunehmend chemischen und biologischen Parametern in den Meeren stetig an Bedeutung. In einem Open-Innovation-Prozess soll ein neuartiger „flapping-foil“ Unterwassergleiter entwickelt werden, der als erweiterndes Werkzeug zu bestehenden, globalen Monitoringnetzwerken zur Ozeanüberwachung dient. Der Unterwassergleiter soll weitestgehend modular und druckneutral aufgebaut sein. In seinem finalen Ausbauzustand soll dieser den heutigen Gleitern in Geschwindigkeit, erreichbarer Tauchtiefe und Handhabbarkeit überlegen sein. Dies wird unter anderem durch das neuartige Gleitkonzept realisiert, welches in Verbindung mit einem intelligenten, selbsteinstellenden Navigations- und Regelungssystem eine autonome Adaption an variablen Umgebungsbedingungen ermöglicht. Diese Innovationen machen das Fahrzeug effizient und schnell einsetzbar, auch aus der Luft. Damit erschließen sich weitere Märkte im Bereich zeitlich kleinskaliger Aufgabenfelder wie Monitoring und Tracking von Algenblüten, „oil-spill response“ und „hurricane monitoring“, die das Ausbringen eines Messfahrzeugs innerhalb kürzester Zeit am Einsatzort erfordern.


OTC-Thruster

ROV’s sowie AUV’s werden als Trägerplattformen für hochsensible hydroakustische Sensorsysteme eingesetzt und nutzen diese außerdem zur eigenen Positions- und Lageregelung. Als Antriebssysteme werden hierbei elektrisch angetriebene Propeller (Thruster) eingesetzt. Problematisch ist, dass durch das Antriebssystem Strukturschwingungen in das ROV bzw. AUV eingetragen werden, die zu einer Abstrahlung von Hydroschall führen und Störungen in den applizierten Sensorsystemen hervorrufen können. Als Hauptquellen hierfür können der elektrische Antrieb des Thrusters selbst bzw. dessen Leistungselektronik und der Antriebspropeller benannt werden. Innerhalb des Gesamtprojektes soll eine modulare und skalierbare Plattform für nabenlose Thrustersysteme (MSTP) bis zunächst ca. 30 kW entwickelt werden. Ein besonders vibrationsarmes und leises Betriebsverhalten, hohe hydrodynamische Effizienz sowie die Modularität stehen dabei im Mittelpunkt. ROVs und AUVs operieren teilweise in der Tiefsee, so dass alle elektrischen und mechanischen Komponenten druckneutral ausgeführt sein müssen. Insbesondere für die Komponenten der benötigten Leistungselektronik muss sichergestellt werden, dass sie dieser Anforderung genügen. Bislang gibt es hierzu nur wenige Untersuchungen und kaum verfügbare Erkenntnisse, was durch dieses Kooperationsprojekt behoben wird. In der strategischen Mittelfristplanung wird die Verfügbarkeit einer MSTP mit den geforderten Eigenschaften die KPG in die Lage versetzen, vibrationsarme und leise Thrustersysteme für unterschiedliche Anwendungsfälle und Kundenwünsche sehr viel flexibler als bisher anbieten zu können. In der längerfristigen strategischen Planung ist nach dem Bau und der Erprobung erster MSTP Prototypen die kommerzielle und weltweite Vermarktung dieser, sowie die Erweiterung des MSTP Produktportfolios, vorgesehen.

Matthias Witte

Dr.-Ing.
Matthias Witte

Projektleitung

Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl Strömungsmaschinen (URO-ITU)
+49 381 498 9046
per E-Mail kontaktieren


Martin Baudisch

Martin Baudisch

Forschungsverbund Mecklenburg-Vorpommern e.V.

+49 381 260 5789 6
per E-Mail kontaktieren

OTC-Facts

Im Fokus dieses Projektes steht eine Machbarkeitsstudie für die Entwicklung eines innovativen Energieversorgungssystems auf Basis einer Wasserstoff-Brennzellentechnologie in der Unterwassertechnik bis in Tiefen von 6.000 Metern. Ein solches System soll für die Gerätetechnik in der Offshore-Industrie, der Meeresforschung, des Umweltmonitorings und sogar in der Binnen- und Küstenschifffahrt eingesetzt werden. Ziel ist es, neuartige Instrumente mit einer hohen Leistungsaufnahme zuverlässig auch über längere Zeiträume günstiger und wesentlich ressourcenschonender zu betreiben, als es mit den bisher eingesetzten Batterien möglich ist.

Der Einsatz des Energieversorgungssystems wird für Gerätetechnik der Offshore-Industrie, der Meeresforschungstechnik, des Umweltmonitorings und kurz- und mittelfristig in der Binnen- und Küstenschifffahrt gesehen. Es soll erlauben, auch neuartige Instrumente mit relativ hoher Leistungsaufnahme zuverlässig über längere Zeiträume günstig und wesentlich resourcenschonender als mit Batterien zu betreiben. Batteriesysteme weisen derzeit noch sehr geringe gravimetrische Energiedichten (< 200 Whel/kg) und volumetrische Energiedichten (< 300 Whel/l) auf. Für Langzeiteinsätze müssen dementsprechend schwere und voluminöse Batteriemodule in den Unterwassergeräten zum Einsatz kommen. Mit Brennzellensystemen können demgegenüber gravimetrische Energiedichten von bis zu 850 Whel/kg und 500 Whel/l erzielt werden.


OTC-Sub

Für die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten des OTC stellen Unterwasserfahrzeuge in den nächsten Jahren eine grundlegende Voraussetzung dar. Mit dem OTC-Sub Projekt wird eine Machbarkeitsstudie für ein bemanntes Unterwasserfahrzeug durchgeführt. Dabei werden die Anforderungen an ein solches für die zukünftigen Projekte herausgearbeitet und die entsprechenden Umsetzungen für eine Herstellung und Inbetriebnahme entwickelt. Insbesondere für das Digital Ocean Lab-Projekt (DOL) ist die Nutzung des Fahrzeugs zur frühzeitigen Erprobung neuer Komponenten von Interesse. Hierbei ist vor allem an innovative Antriebseinheiten, Energiespeicher, Messverfahren, Kommunikationsmethoden, Sensoren und Energieübertragungssysteme etc. zu denken.

Ziel dieser Studie ist die Etablierung von Prozessen und Methoden, basierend auf dem - im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes Offshore Wind Solutions MV durch die Neptun Ship Design GmbH (NSD) aus Rostock - entwickelten U-Boot für die Wartung von Offshore Windenergieanlagen. Ziel des Projektes war es, im Rahmen eines Offshore Windpark-Service-Konzeptes, ein Unterwasserfahrzeug zu integrieren und später als Produkt im Offshore Wind Markt einzuführen. In OTC-Sub soll ein Verwertungskonzept entwickelt werden, in dem weitere Einsatzszenarien und Geschäftsmodelle für diese Art von Unterwasserfahrzeugen erarbeitet, sowie ein am OTC angesiedeltes Konsortium für den Bau des Fahrzeugs zusammengestellt werden. Weiterhin soll geprüft werden, ob - und wenn ja mit welchen Anpassungen - das Fahrzeug eine sinnvolle Ergänzung zum Digital Ocean Lab (DOL) des OTC darstellen kann. Antriebseinheiten (Thruster), Energiespeicher (Batterien, Brennstoffzelle,...) wie auch neuartige Messverfahren, Kommunikationsmethoden, Sensoren, Energieübertragungssysteme etc. können sehr frühzeitig erprobt werden, ohne dass bereits unterwassertaugliche und kleine Elektroniken vorhanden sind (mit dem Laptop ins U-Boot).

Martin Baudisch

Martin Baudisch

Forschungsverbund Mecklenburg-Vorpommern e.V.

+49 381 260 5789 6
per E-Mail kontaktieren


Cookie Einwilligung