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Jungfernfahrt auf dem Bodensee: der Hydrocrawler, eine hochgenaue und autonome Messplattform

Präziser Blick in die Tiefe

Mehr als 12.200 Standgewässer gibt es in Deutschland. Der größte Teil davon ist nahezu unerforscht. Das soll sich jetzt ändern – mit dem Hydrocrawler.

Christian Degel

Der Hydrocrawler ist ein innovatives System zur hochauflösenden Vermessung des Gewässeruntergrunds. Er kann die räumliche Struktur von Sedimentunterlagen beobachten, Dämme, Spundwände und Tragstrukturen inspizieren, Kartierungsarbeiten ausführen und nicht zuletzt auch nach Vermissten suchen. Wir sprachen mit einem seiner Entwickler, Dipl.-Ing. Christian Degel vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Sankt Ingbert. Er leitet dort die Arbeitsgruppe Wandlerentwicklung und entwickelt unterschiedliche Ultraschall-Elektroniken und Sensoren, die sowohl in der Medizin, der Industrie, als auch in der Wasserforschung eingesetzt werden.

In dem Projekt HyMoBioStrategie, Teil der Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), wird neben anderen Projektzielen auch an einer hochgenauen und autonomen Messplattform geforscht – dem sogenannten „Hydrocrawler“. Am 26. Oktober fand die offizielle Jungfernfahrt auf dem Bodensee statt. Wofür könnte der Hydrocrawler zukünftig eingesetzt werden?

In der Datenbank der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg sind allein für Deutschland über 12.200 Standgewässer verzeichnet. Der größte Teil davon ist nahezu unerforscht: Das heißt, über Bodentopographie, Sedimentstratigraphie und Objekte auf oder im Sediment gibt es nur wenige bis keine Informationen. Zudem gibt es eine große Zahl an Binnengewässern entlang der deutschen Küste mit hohen Flachwasser- und Hafenbereichen mit derselben unbefriedigenden Problematik. Der Bedarf an hochaufgelösten, detailreichen Messungen, die von einem Messsystem automatisiert und wiederholgenau durchgeführt werden können, ist dementsprechend groß. Der Hydrocrawler deckt ein breites Anwendungsfeld ab.

Wodurch zeichnet sich der Hydrocrawler aus? Was sind die besonderen Stärken der Messplattform?

Bei dem System handelt es sich um eine hochgenaue und autonom arbeitende Messplattform von drei mal drei Metern mit enormer Payload-Kapazität. Der große Abstand zwischen den einzelnen Schwimmkörpern erlaubt eine sehr stabile Lage, wodurch unerwünschte Ungenauigkeiten bei den Ultraschallbildern reduziert werden. Die Plattform ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet und kann mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich positioniert und manövriert werden. Dadurch ergibt sich eine große Bandbreite an möglichen Messstrategien, wie Punkt- und Sternmessungen, aber auch Kreisfahrten sind denkbar. Ein weiteres Merkmal unseres Ansatzes: Der Hydrocrawler ist modular und kann bei Bedarf mit zusätzlichen Probenehmern ausgestattet werden. Die Erweiterung durch eine tauchende Einheit ist ebenfalls möglich. Messungen oder Bilder können somit auch in der vertikalen Achse gemacht werden und die volle Auflösung der Sensoren bleibt erhalten.

Am Fraunhofer IBMT beschäftigen Sie sich in erster Linie mit Ultraschallwandlern in verschiedenen Einsatzbereichen. In HyMoBioStrategie waren Sie für die Weiterentwicklung der im Hydrocrawler eingesetzten Fächerecholots verantwortlich. Wie arbeitet die Sensorik?

Bei dem Fächerecholot handelt es sich um die Hauptsensorkomponente des Hydrocrawlers. Das Echolot arbeitet bei einer Frequenz von 1 MHz. Insgesamt besteht das Fächerecholot aus 128 einzelnen Ultraschallwandlern. Diese erzeugen gemeinsam einen Schallstrahl, mit dem der Boden eines stehenden Gewässers abgetastet wird. Die gleichen Sensoren schalten dann in den Empfangsmodus und empfangen die vom Untergrund reflektierten Signale. Im nächsten Schritt werden die Informationen umgewandelt und die Struktur des Seebodens rekonstruiert. Aufgrund ihrer speziellen Bauweise können die Antennen des Ultraschallwandlers sehr kurze Schallimpulse erzeugen. Dies ermöglicht eine axiale Auflösung im Sub-Zentimeter-Bereich. Die Rekonstruktion des erfassten Seebodens erfolgt mit direkter Zuordnung der jeweiligen GPS-Koordinaten. Man erhält also eine GPS-Punktwolke des Seebodens. So können beispielsweise Veränderungen des Untergrundes zwischen aufeinanderfolgenden Messungen exakt erfasst werden.

Welche Rolle spielt der Hydrocrawler für die Zielerreichung des Forschungsauftrags von HyMoBioStrategie?

In dem ReWaM-Projekt HyMoBioStrategie arbeitet ein breit aufgestelltes Konsortium aus Wissenschaftlern, Praktikern und der wasserwirtschaftlichen Verwaltung an der Entwicklung von Maßnahmen für eine nachhaltige Gestaltung und Renaturierung von Ufern an großen Seen. Als Modell dienen uns sechs ausgewählte Gebiete des Bodensee-Obersees. Seen werden in Deutschland in vielfältiger und sehr unterschiedlicher Weise genutzt: Uferverbauungen, Hafenanlagen und verschiedene Freizeitaktivitäten im und am Wasser beeinträchtigen jedoch den Feststoffhaushalt, die Unterwasserfauna und die Unterwasservegetation. Nach Fertigstellung des Systems ist geplant, in allen Untersuchungsgebieten zwei flächige Vermessungen der Sedimentoberflächen durchzuführen, so dass nicht nur die Beschaffenheit der Sedimentauflage in den Untersuchungsgebieten, sondern auch mögliche Veränderungen nachgewiesen werden können. Diese Messdaten erlauben Rückschlüsse auf Erosions- bzw. Akkumulationsvorgänge auf Zeitskalen von mehreren Monaten bis zu einem Jahr. Ergänzt werden die Daten des Hydrocrawlers durch Prozessstudien zum Sohl- und Sedimenttransport mit Hilfe spezieller Tracer.

Von der Idee zum Produkt – das IBMT ist für seine kurzen „Time-to-Market“-Zeiten bekannt. Ist eine wirtschaftliche Nutzung des Hydrocrawlers oder eine Ausgründung geplant?

Das Einsatzgebiet der Messplattform ist wie gesagt sehr groß. Hochgenaue Kartierungen und Vermessungen, die Unterstützung von Tauchereinsätzen, Inspektions- und Überwachungsaufgaben zum Beispiel in sicherheitsrelevanten Bereichen wie Häfen und Schifffahrtswegen bieten unzählige Möglichkeiten. Die Form der wirtschaftlichen Nutzung ist momentan noch offen. Ausgründung oder Lizenzmodelle haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile. Interesse besteht bereits seit der ersten Vorstellung des Systems von verschiedenen Seiten und man muss abwägen, in welcher Form das System am besten verfügbar gemacht wird. Das ist jedoch ein Prozess, der sich langsam entwickeln muss. Es sollte jedoch auch die wissenschaftliche Verwertung nicht vergessen werden! Mit seinen besonderen Eigenschaften kann der Hydrocrawler viele wertvolle Informationen aus Gewässern sammeln, damit neue Erkenntnisse erzeugen und so Forschungsprojekte unterstützen. Als Fraunhofer-Institut freuen wir uns zukünftig über jede Projektbeteiligung, bei der wir das System einsetzen und damit auch weiterentwickeln und optimieren können.

HyMoBioStrategie ist eines von 15 Verbundprojekten in der BMBF-Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM). ReWaM ist Teil des BMBF-Förderschwerpunktes „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA3).

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