MOSAiC – Multidisziplinäres driftendes Observatorium zum Studium des arktischen Klimas

Im September 2019 hat der deutsche Forschungseisbrecher Polarstern von Tromsø, Norwegen, aus die Segel gesetzt, um ein Jahr lang durch den Arktischen Ozean zu treiben – gefangen im Eis. Im Meereis stecken zu bleiben, ist normalerweise das Letzte, was Schiffe tun wollen. Der deutsche Eisbrecher wird jedoch ein Jahr lang im arktischen Eis gefangen sein. Dieser Umstand nützen die Polarforscher um den Polarwinter zu untersuchen, während die Polarstern eine unbekannte Reise aufgrund der Meeresströmungen macht.

Das Ziel der MOSAiC-Expedition ist es, die Arktis als Epizentrum der globalen Erwärmung so genau wie möglich zu betrachten und grundlegende Erkenntnisse zu gewinnen, die für ein besseres Verständnis des globalen Klimawandels von entscheidender Bedeutung sind. An der Expedition sind mehr als 70 Forschungseinrichtungen aus 20 Ländern beteiligt. Auf den Spuren von Fridtjof Nansens bahnbrechender Expedition mit seinem hölzernen Segelschiff Fram in den Jahren 1893-1896 wird die MOSAiC-Expedition einen modernen Forschungseisbrecher für ein ganzes Jahr in die Nähe des Nordpols bringen, zum ersten Mal auch im Polarwinter.

An Bord des Polarsterns befindet sich ein Datenerfassungssystem von Gantner Instruments, dass die Belastung des Eises auf die Stahlstruktur des Schiffes misst. Die Messdaten erlauben ein besseres Verständnis über den Eiswiderstand um damit zukünftige Eisbrecher weiter zu verbessern.

Die Belastungen im Eis besser verstehen 

Selbst für den zuverlässige Polarstern und ihre sehr erfahrene Besatzung stellt die MOSAiC-Expedition eine große Herausforderung dar. Das Vorhandensein von Meereis ist der Hauptfaktor, der solche Expeditionen in der Arktis behindert. Meereis ist ein komplexes Material und verursacht einen hohen Druck im Kontakt mit den Schiffen. Forscher des Instituts für Schiffsstrukturdesign und -analyse der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) nehmen am MOSAiC-Programm teil, um ein besseres Verständnis der Anforderungen an die Eisbeständigkeit zu erhalten, um die strukturelle Auslegung zukünftiger eisbrechender Schiffe zu optimieren.

Innovatives System zur Dehnungsüberwachung

Im Inneren der Polarstern wurde ein Dehnungsüberwachungssystem installiert, das mit einem Datenerfassungssystem aus der der Q.series X von Gantner Instruments arbeitet. Damit können die einwirkenden Belastungen auf die Stahlstruktur des Schiffes im Eis langfristig gemessen werden. Das Messystem erfasst kontinuierlich Daten von 36 Dehnungsmessstreifen, die an der Rumpfstruktur des Eisbrechers installiert sind. Die Scherdehnung wird mit vier aktiven Dehnungsmessstreifen in einer Vollbrückenkonfiguration gemessen, während die lineare Dehnung ebenfalls in einer Vollbrückenkonfiguration gemessen wird, jedoch mit zwei aktiven und zwei passiven Dehnungsmessstreifen zur Temperaturkompensation. Die DMS-Sensoren sind für eine genaue und driftarme Signalkonditionierung an ein Q.bloxx XL A116 I/O Modul angeschlossen. Das Q.bloxx XL A116 verfügt über acht Eingangskanäle für Voll-, Halb- und Viertelbrücken-Dehnungsmessstreifen. Jeder Kanal ist individuell konfigurierbar und verfügt über Signalkonditionierungsfunktionen wie Linearisierung, Filterung, Shunt-Kalibrierung und Leitungsdrahtkompensation.

In-Situ-Messdaten sind extrem wertvoll

Die MOSAiC-Expedition bietet eine einzigartige Gelegenheit, wertvolle Vor-Ort-Daten der eisbedingten Belastung der Schiffsstruktur zu sammeln. Der Schlüssel zur Auswahl der Q.series X war ihre Fähigkeit, eine zuverlässige Langzeit- und eigenständige Datenerfassung durchzuführen, ohne dass ein PC angeschlossen werden muss. Da es keine aktive Datenverbindung von dem Polarstern zur Küste gibt, werden die Daten auf einem USB-Flash-Laufwerk gespeichert und bei jedem Wechsel der Besatzung von Hand an Land transportiert. Der USB Speicher ist an die Q.station X Datenerfassung angeschlossen, der die Daten kontinuierlich auf das Flash-Laufwerk schreibt. Jedes Mal, wenn die Besatzung ein vollständiges USB-Laufwerk austauscht, werden alle Messdaten zwischengespeichert und später auf das neue USB-Laufwerk übertragen. Damit gehen keine Daten verloren. Für weitere Redundanz werden alle Daten parallel auch auf ein zweites USB-Laufwerk geschrieben.

Mit der Q.station X können verschiedenste Techniken zur Datenreduktion angewendet werden. Damit kann die Grösse der Messdaten ohne Informationsverlust reduziert werden. Das Dehnungsüberwachungssystem tastet mit einer Frequenz von 1000 Hz ab, was 1000 Messwerten pro Sekunde entspricht.
Die Daten werden anschliessend mit einer Rate von nur 1 Hz auf das Speichermedium geschrieben und benötigten deshalb nur minimalen Speicherplatz.
Neben der Erfassung des eigentlichen Messwerts werden Mittelwert, Standardabweichung und Minimum- und Maximum-Werte berechnet und ebenfalls gespeichert. Wenn das Überwachungssystem eine plötzliche Änderung der eisinduzierten Last erkennt wird ein ereignisbasiertes Event ausgelöst, um die Dehnungsdaten mit einer höheren Abtastrate aufzuzeichnen. Diese hochauflösenden Daten werden dann zur schnellen und effizienten Analyse in einer separaten Datei gespeichert.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die im Inneren des Schranks installiert ist, gewährleistet die Datenkontinuität während eines vorübergehenden Stromausfalls. Im Falle eines anhaltenden Stromausfalls sendet die USV einen Trigger an die Q.station X sollte die Batterie zur Neige gehen. Die Datenaufzeichnung wird dann gestoppt und alle Schreibvorgänge auf die USB-Flash-Laufwerke werden beendet, ohne dass es zu einer Datenverfälschung kommt. Wenn die Stromversorgung wieder hergestellt ist, startet das Überwachungssystem automatisch und fährt mit der Messung an der Stelle fort, an der es aufgehört hat.

Das Dehnungsüberwachungssystem ist nun seit mehreren Monaten in Betrieb. Mit dem ersten Besatzungswechsel wurde ein erster Datensatz erfolgreich an die TUHH in Hamburg übertragen. Die Q.series X hat sich erneut als zuverlässige Lösung für Langzeitüberwachungen bewährt, selbst wenn sie im Eis gefangen ist.

Der aktuelle Kurs der Polarstern kann hier abgerufen werden.

Erfolgsfaktoren  Was sind die entscheidenden Faktoren für den Erfolg dieser 12-monatigen Überwachungsmission?

• Zuverlässige und autonome Datenerfassung an vielen Messstellen
• Intelligente Datenvisualisierung der relevanten Ereignisse
• Einfacher und schneller Datentransfer
• Design und Produktion aus einer Hand mit kürzesten Lieferzeiten

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