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Abhandlungen über den Nutzen, den Aufbau und den Betrieb autonomer Unterwasserfahrzeuge
Chakrabarti, Romon
Der Bedarf der Industrie an Primärenergieträgern und Mineralien steigt mit dem Wachstum der Wirtschaft. Dies gilt insbesondere für Mangelrohstoffe, so dass sich die führenden Industrienationen für Vorkommen in der Tiefsee interessieren, um dort seltene Erden und Halbleiterwerkstoffe zu fördern. Da nur geringe Kenntnisse über den Lebensraum Meer vorliegen, besteht ein hoher Forschungsbedarf. Bei der Tiefseeerkundung werden meist autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) eingesetzt, welche die Lagerstättensuche und danach auch die Förderung der Rohstoffe ermöglichen sollen. Die große Fläche des Meeresbodens erfordert allerdings Schwärme solcher Fahrzeuge und niedrige Beschaffungskosten.
Die vorliegende Arbeit erläutert zunächst die historische Entwicklung der AUVs für den Tiefseebereich sowie ihren funktionellen Aufbau. Anschließend wird die druckneutrale Technik vorgestellt, welche die Konstruktion kostengünstiger Fahrzeuge erlaubt, z. B. durch Anwendung von Konstruktionsrichtlinien, welche in zwei Entwicklungsprojekten erarbeitet wurden. Ein kritischer Vergleich druckneutraler und druckhüllenbasierter Fahrzeuge zeigt für beide Bauweisen Grenzen auf, was für die druckneutrale Technik anhand des Aufbaus und der Inbetriebnahme zweier druckneutraler AUVs, der DNS Pegel und der PreToS, illustriert wird. Die während der Entwicklung und Erprobung der Tiefseefahrzeuge gesammelten Erfahrungen unterstützen die Weiterentwicklung dieser Technik.
Beim Aussetzen und Einholen von AUVs auf hoher See ergeben sich bei schlechten Wetterbedingungen hohe Risiken, sowohl für die Crew des Forschungsschiffs, als auch für das AUV. Die von verschiedenen Entwicklern genutzten Aussetz- und Bergeverfahren orientieren sich am Aufbau der jeweiligen AUVs und an den technischen Möglichkeiten des Mutterschiffs. In der Arbeit wird anhand der Beschreibung der Methoden, ein AUV sicher auszusetzen und zu bergen, ein Anforderungskatalog für Aussetz- und Bergesysteme erarbeitet. Hiermit lässt sich eine Entscheidungssystematik aufstellen, mit deren Hilfe sich die verschiedenen Aussetz- und Bergeschritte der Fahrzeugbauweise zuordnen lassen.
Der spezielle Aufbau des druckneutralen AUVs PreToS erforderte bei der Wahl eines geeigneten Bergekonzepts besondere Sorgfalt. Das entwickelte System besteht aus einem Bergekäfig, der über einen am Schiff montierten Führungsrahmen in das Wasser ausgesetzt wird. Die gelenkige Lagerung des Rahmens entkoppelt die Bewegung des Bergekäfigs von der des Forschungsschiffs, so dass der Bergekäfig frei auf dem Wasser schwimmt. Beim Einholen des AUVs limitiert der Führungsrahmen die möglichen Bewegungsformen der gesamten Bergeeinrichtung, wodurch sich ein Pendeln des AUVs vermeiden lässt. Erprobt wurde das Aussetzen und Einholen der PreToS bis zu einer Seegangsstärke von vier. Die hierbei gewonnenen Erfahrungen werden erörtert und mögliche Verbesserungsvorschläge erarbeitet.
The industrial demand for primary energy sources and minerals increases with the economic growth. This applies particular for rare materials, so that the interest of the leading industrialized nations are drawn towards submarine deposits in order to mine rare earth and semiconductor materials. Due to the lack of knowledge of the marine habitat, there is a huge demand for research. These exploration works are mainly conducted by autonomous underwater vehicles (AUVs) which allow searching for deposits and support mining of the raw materials. The vast area of seabed requires large swarms and low procurement cost for these vehicles.
In this dissertation the historical development of AUVs for the deep sea is described initially with remarks to the functional construction. Afterwards, the pressure neutral technology enabling the design of cost-effective vehicles is presented. This is backed up with engineering guidelines which are compiled within two research projects. A critical comparison of pressure hull based and pressure neutral vehicles clarifies the limits for both construction methods. This is illustrated by detailed descriptions of the development of two pressure neutral vehicles, the DNS Pegel and AUV PreToS. Experiences which have been gathered during the development and testing of those two vehicles support further evolution of the pressure neutral technology.
Major risks for the AUV and the crew of the research vessel reveal during the launch and recovery process of AUVs at rough sea. The launch and recovery systems (LARS) used by different developers are linked to a specific AUV and consider the technical capacities of the parent vessel. By showing different methods to launch and recover an AUV a requirement profile for launch and recovery systems is developed. Thereby, a decision method can be deployed which helps to link the different vehicle constructions to specific launch and recovery methods.
In respect to the particular requirements of the AUV PreToS the launch and recovery method had to be selected thoroughly. The system developed consists of a docking device released to water which is linked to a tiltable steel frame attached to the research vessel. Due to joints in the steel frame the movement of the docking device is decoupled from the research vessel and shifts with the AUV in the water. While recovering, insecure pivoting is eliminated through the use of the steel frame. The LARS was tested with the AUV PreToS up to seastate four. The experience gathered with the system is presented and possible improvements are given.
