Aufrufe
vor 3 Monaten

antriebstechnik 6/2018

antriebstechnik 6/2018

ROBOTIK UND AUTOMATION I

ROBOTIK UND AUTOMATION I SPECIAL 10 000 Meter unter dem Meer Faulhaber stattet Tauchroboter mit Kleinstmotoren aus Eigentlich gilt: Je tiefer man im Ozean geht, desto weniger Lebewesen lassen sich dort finden. Doch in Tiefseegräben unterhalb von circa 6 000 Metern gibt es aktive, mikrobielle Lebensgemeinschaften, die in völliger Dunkelheit und bei Drücken von mehr als 1 000 bar leben. Meeresforscher gehen davon aus, dass diese Gräben einen unerwartet starken Einfluss auf das Erdklima ausüben, und haben daher ein großes Interesse, diese Mikroben zu untersuchen. Dazu tragen Kleinstantriebe von Faulhaber bei, die dem extremen Druck widerstehen und auch am Meeresboden zuverlässig funktionieren. Welche biologischen und chemischen Prozesse in Tiefseegräben stattfinden, ist noch weitgehend unbekannt. Das Forschungsprojekt „Hades-ERC“ soll neue Einblicke in diese ozeanischen Abgründe ermöglichen. Die hadale Zone beginnt 6 000 m unter der Wasseroberfläche und erstreckt sich bis zum Meeresboden. Ihr tiefster Punkt liegt im westlichen Pazifik im Marianengraben, etwa 11 km unter dem Meeresspiegel. Der Umgebungsdruck, der unter Wasser pro 10 m Tiefe um ein Bar steigt, beträgt dort dementsprechend 600 bis rd. 1 070 bar am tiefsten Punkt. Dipl.-Ing. (BA) Andreas Seegen ist Leiter Marketing der Faulhaber GmbH & Co. KG in Schönaich und Dipl.-Phys. Marco Antoni ist im Redaktionsbüro Stutensee tätig Leben in der hadalen Zone „In der Meeresbiologie gibt es eine Grundregel“, sagt Prof. Ronnie Glud von der Universität Süddänemark in Odense. „Je tiefer man hinuntergeht, desto weniger Lebewesen trifft man an“. Denn mit zunehmender Wassertiefe steige nicht nur der Druck, es gebe auch immer weniger Sonnenlicht und von oben herabsinkende Nahrung wie z. B. Phytoplankton. Eigentlich sei aus diesem Grund in der hadalen Zone je nach Tiefe nur wenig biologische Aktivität zu erwarten. Doch die Schwerkraft wirkt überall und ein Teil der an der Oberfläche entstehenden Biomasse sinkt früher oder später zwangsläufig immer weiter in Richtung Ozean boden. Dort sammelt sich diese, auch Meeresschnee genannte Masse und dient als Nahrung. Die biologische Aktivität bricht daher mit dem Trend und steigt wieder an, wie Professor Glud 2013 herausfand: „Unterhalb von 10 000 Metern haben wir mehr organischen Umschlag gefunden als bei 6 000 Metern“. Deshalb gehe er davon aus, dass die Gräben einen überproportional großen Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffbilanz der Meere haben. Obwohl sie nur etwa zwei Prozent der Ozeanfläche ausmachen, könnten sie also überproportional auf die CO 2 -Bilanz und das klimatische Geschehen einwirken. Um die Frage nach dem Einfluss der Ozeangräben auf das Erdklima zu beantworten, untersucht seine Fakultät Odense gemeinsam mit den Meeresbiologen der Universität Kopenhagen und meereswissenschaftlichen Instituten aus Deutschland, Japan und Schottland mit dem Hades-ERC-Projekt die hadalen Mikroben. Dabei stehen die Forscher vor zwei großen Schwierigkeiten. Tauchroboter erforschen die Tiefe Bemannte Tauchgänge in mehreren Kilometern Tiefe sind zwar prinzipiell möglich 56 antriebstechnik 6/2018

01 Das Forscherteam setzt auf DC-Kleinstmotoren, die sich in einem Praxistest für die Tiefe bewährt haben und für den Einsatz unter extremen Bedingungen geeignet sind 02 Der Hades-ERC-Roboter nimmt Proben des Bodensediments und bringt diese zur Untersuchung an die Oberfläche und wurden auch bereits durchgeführt, doch sind sie aufwändig, kostenintensiv und gefährlich. Stattdessen kommt ein autonomer Roboter zum Einsatz, der Proben des Bodensediments nimmt und diese zur Untersuchung an die Oberfläche bringt. Doch ohne weitere Vorkehrungen würden die gesammelten, an den hohen Druck angepassten Mikroben beim Aufstieg durch den Druckabfall platzen, die Sedimentproben wären somit wertlos. Der Roboter muss nicht nur dem hohen Druck in der Tiefe widerstehen, sondern in jedem Druckbereich von der Oberfläche bis zum Meeresboden auch zuverlässig funktionieren, damit er abtauchen, die Proben unter Druck sammeln, diese mit Fixierungsmittel konservieren und schließlich mit den Proben wieder an die Oberfläche steigen kann. Der Antrieb, die Sensoren und die Werkzeuge, die das Sediment berühren, müssen zudem währenddessen auch verschiedene Bewegungen ausführen und viele Stunden autonom unter Wasser arbeiten. Nach einem Praxistest hat sich das Team dafür entschieden, nur einen einzigen, robusten, kompakten und gleichzeitig starken Motortypen aus dem Hause Faulhaber mit passendem Encoder und Planetengetriebe einzusetzen. Der Motor aus der Serie 2342 CR hat sich in der Tiefe bewährt und ist für den Einsatz unter solch extremen Bedingungen optimal geeignet. Die kleinen Kraftpakete bieten bei gerade mal 23 mm Durchmesser und 42 mm Länge dauerhaft bis zu 19 mNm Drehmoment und außerdem einen hohen Wirkungsgrad, sodass der Roboter mit nur einer Batterieladung lange autonom tauchen kann. Motoren arbeiten unter Hochdruck Ein normaler Motor würde schon weit oberhalb der hadalen Zone nicht mehr funktionieren – entweder, weil eindringendes Meerwasser ihn von innen heraus zerstört, oder, wenn er dicht ist, der herrschende Umgebungsdruck ihn von außen zerquetscht. Dementsprechend gibt es zwei Möglichkeiten, wie ein DC-Kleinstmotor seine Funktion unter diesen Bedingungen erfüllen kann. Eine Lösung ist, den Motor und andere drucksensible Komponenten in einem druckbeständigen Gehäuse unterzubringen. Diesen Weg konnten die Forscher beim Hades-ERC für viele Komponenten mit einem druckfesten Titan-Zylinder gehen. Aber einige Komponenten wie Motor und Getriebe können ihre Arbeit nur im Kontakt mit der zu erforschenden Umgebung ausführen. Deshalb kommt hier eine weitere Lösung zum Einsatz: Diese macht sich zunutze, dass die auf die Komponenten wirkende Kraft nicht durch den Gesamtdruck an sich bestimmt wird, sondern durch die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Komponenten und dem äußeren Umgebungsdruck. Motor und Getriebe stecken daher in einem weiteren Zylinder, der mit einer inerten Flüssigkeit gefüllt ist, die im Gegensatz zu Salzwasser die Funktion nicht einschränkt. Dieser Zylinder kann über eine flexible Membran den Innendruck an den Umgebungsdruck anpassen. Der Druckausgleich bewirkt, dass der hohe Druck sowohl innen als auch außen herrscht. In Summe entsteht so keine Kraft auf die Komponenten. Mit diesen zuverlässigen und druckresistenten Antrieben ist der Hades-ERC-Roboter bereit, die Meeresabgründe zu erforschen. Das Projekt ist auf fünf Jahre ausgelegt und die ersten Tauchgänge an drei pazifischen Gräben – dem Japan-, dem Atacama- und dem Kermandec-Graben – werden im Herbst 2018 beginnen. Fotos: Aufmacher + 02: Ronnie N. Glud; 01: Faulhaber www.faulhaber.com Komplette Automatisierungslösungen Optimiert für Industrie 4.0 Volle Flexibilität mit dem Systembaukasten für Handhabung und Robotik Volle Vernetzung für mehr Produktivität und höhere Verfügbarkeit mit BAUDIS IoT www.baumueller.de München, 19.– 22. Juni 2018 Stand B6/303 be in motion

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe