Reduzierte Tiefsee-Drohnentauchgänge für Wracks und Riffe

Der globale Ozean ist schwer zu erforschen – die weitverbreitete Behauptung lautet, wir wüssten weniger über die Tiefen des Ozeans als über die Oberfläche des Mondes. Australisches Unternehmen Erweiterte Navigation will das mit einem winzigen autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV) ändern, von dem es hofft, dass es das maritime Äquivalent einer Verbraucherdrohne wird. Und das neue AUV macht sich bereits an die Arbeit, Australiens Korallenriffe zu kartieren und zu überwachen und nach Wracks zu tauchen.

Das in Sydney ansässige Unternehmen entwickelt seit mehr als einem Jahrzehnt Unterwassernavigationstechnologien. Im Jahr 2022 stellte Advanced Navigation sein erstes hauseigenes AUV namens vor Hydra. Mit weniger als einem halben Meter Länge ist das Fahrzeug deutlich kleiner als die meisten Alternativen. Trotzdem ist es völlig eigenständig und verfügt über eine Kamera mit 4K-Auflösung und 60 Bildern pro Sekunde, die sowohl hochauflösende Videos aufnehmen als auch detaillierte 3D-Photogrammetriemodelle erstellen kann.

Laut Advanced Navigation ist Hydrus mit einer Tiefe von 3.000 Metern, einer Reichweite von 9 Kilometern und einer Batterie, die bis zu drei Stunden hält, in der Lage, eine Vielzahl von Missionen durchzuführen. Das Unternehmen hat kürzlich zwei Einheiten an verkauft Australisches Institut für Meereswissenschaften (AIMS), die nationale Agentur für tropische Meereswissenschaften, die damit die Korallenriffe der Nordwestschelfregion vor der Westküste des Landes untersuchen wird. Hydrus arbeitete kürzlich auch mit dem Western Australian Museum zusammen, um ein detailliertes 3D-Modell eines Schiffswracks vor der Küste von Perth zu erstellen.

„Wenn Menschen eine Drohne vom Boot aus starten können, genau wie sie eine Drohne in die Luft schicken können, wird das der Meeresforschung offensichtlich zugute kommen.“ —Ross Anderson, Museum of Western Australia

Nachdem wir viele Jahre lang Komponenten an andere Robotikunternehmen geliefert haben,
Pierre Boulanger, Unterwasser-Produktmanager bei Advanced Navigation, sagt, sein Unternehmen habe eine Marktlücke entdeckt. „Wir wollten die Benutzererfahrung, die jemand mit einer Flugdrohne machen würde, unter Wasser übertragen“, sagt er. „Die Beschaffung von Bildern und Daten über den Meeresboden ist sehr kostspielig. Durch die Möglichkeit, dieses System zu miniaturisieren und aus Benutzersicht erheblich zu vereinfachen, sind die Daten für Benutzer viel besser zugänglich.

Der Bau eines kompakten und kostengünstigen AUV ist jedoch nicht einfach. Die Tiefsee sei wegen der Kombination aus hohem Druck und korrosivem Meerwasser kein geeigneter Ort für Elektronik, erklärt Baker. Der traditionelle Weg, dieses Problem zu lösen, besteht darin, alle kritischen Komponenten in ein versiegeltes Titanrohr zu kleben, das den Umgebungsdruck aufrechterhalten und das Eindringen von Feuchtigkeit verhindern kann. Dies erfordert jedoch zusätzlichen Auftrieb, um das zusätzliche Gewicht auszugleichen, erklärt Baker, was das Volumen des Fahrzeugs erhöht. Das bedeutet größere Motoren und größere Batterien. „Das Ganze steigert sich, bis man etwas in der Größe eines Kleinbusses bekommt“, sagt er.

Advanced Navigation umging die Spirale, indem es maßgeschneiderte drucktolerante Elektronik entwickelte. Sie bauten alle ihre Leiterplatten von Grund auf und wählten sorgfältig Komponenten aus, die in einer hydrostatischen Druckkammer bis zur Zerstörung getestet wurden. Diese wurden dann in eine wasserdichte Verbundhülle eingekapselt und um das Risiko des Eindringens von Wasser weiter zu verringern, arbeitet die Drohne vollständig kabellos. Das Aufladen der Batterien erfolgt durch induktives Laden und die Datenübertragung erfolgt entweder über WLAN über Wasser oder über ein optisches Modem unter Wasser.

Hydrus AUVs werden induktiv aufgeladen, um zu verhindern, dass ätzendes Meerwasser durch die Ladeanschlüsse sickert.Erweiterte Navigation

Dies habe es dem Unternehmen ermöglicht, das System erheblich zu miniaturisieren, sagt Baker, was erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtbetriebskosten habe. „Um das Fahrzeug zu bergen, braucht man keinen Kran, keine Winde oder ähnliches, man kann es mit einem Fischernetz hochheben“, erklärt er. „Sie können mit einem viel kleineren Boot auskommen, und die allgemeine Regel in der Branche lautet: Wenn Sie die Größe Ihres Bootes verdoppeln, vervierfachen sich die Kosten.“

Genauso wichtig ist aber auch die einfache Bedienbarkeit des Fahrzeugs. Die meisten Unterwasser-Robotersysteme funktionieren immer noch mit einem Halteseil, sagt Baker, aber Hydrus hat die gesamte Hardware zur Unterstützung der autonomen Navigation an Bord. Das A und O des Unternehmens ist die Trägheitsnavigationstechnologie, die Beschleunigungsmesser und Gyroskope verwendet, um das Fahrzeug von einem bekannten Startpunkt aus zu verfolgen. Die Drohne verfügt aber auch über ein Sonarsystem, das es ihr ermöglicht, einen bestimmten Abstand zum Meeresboden einzuhalten und ihre Geschwindigkeit zu beurteilen, indem sie die Doppler-Verschiebung der Echos beim Zurückprallen misst.

Das bedeutet, dass Benutzer einfach eine Reihe von Wegpunkten auf einer Karte programmieren, das Fahrzeug über Bord werfen und es sich selbst überlassen können, sagt Baker. Der Hydrus verfügt über einen akustischen Kommunikationskanal mit geringer Bandbreite, der es dem Bediener ermöglicht, grundlegende Befehle wie „Stopp“ oder „Nach Hause gehen“ zu senden, aber der Hydrus ist als AUV konzipiert, bei dem man es einstellen und vergessen kann. „Es senkt wirklich die Schwellenwerte, die ein Benutzer benötigt, damit es funktioniert“, sagt er. „Wenn Sie eine DJI-Drohne fliegen können, könnten Sie einen Hydrus fliegen.“

Das Unternehmen schätzt, dass der Hydrus für eine typische Untersuchung des Meeresbodens in Gewässern, die flach genug für menschliche Taucher sind, 75 % günstiger sein könnte als Alternativen. Und die Einsparungen würden in größeren Tiefen dramatisch zunehmen. Darüber hinaus, erklärt Baker, ermöglicht die präzise Navigation der Drohne, wesentlich konsistentere und wiederholbare Daten zu erzeugen.

Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, machten sich die Hydrus-Designer auf die Suche nach Wracks auf dem Schiffsfriedhof Rottnest vor der Küste in der Nähe von Perth, Westaustralien. Laut Ross Anderson, Kurator am Western Australian Museum, war der Ort ein ausgewiesener Ort für die Versenkung alternder Schiffe, wurde aber aufgrund der Tiefe vieler Wracks noch nicht vollständig erforscht.

Das Advanced Navigation-Team erstellte mithilfe des Hydrus ein detailliertes 3D-Modell eines versunkenen „Kohleschiffs“, das zu einer Klasse alter eiserner Segelschiffe gehörte, die später in schwimmende Kohlelager für Dampfschiffe umgewandelt wurden. Das Western Australian Museum konnte das Schiff bisher nicht identifizieren, aber Anderson sagt, dass diese Art von Modellen für die Durchführung maritimer Archäologieforschung und die Aufklärung der Menschen über das, was unter den Wellen liegt, äußerst nützlich sein können.

Jede Technologie, die den Prozess vereinfachen kann, ist willkommen, fügt Anderson hinzu. „Wenn Menschen eine Drohne vom Boot aus starten können, genau wie sie eine Drohne in die Luft schicken können, wird das offensichtlich der Erforschung des Meeres zugute kommen“, sagt er.

Die Benutzerfreundlichkeit war auch ein wichtiger Faktor beim Kauf von zwei Hydrus-Drohnen durch AIMS, sagt Melanie Olsen, Programmmanagerin für Technologieentwicklung, die auch ein leitendes IEEE-Mitglied ist. Der Großteil der für die Meereswissenschaften verfügbaren Technologien ist immer noch auf Forschungsniveau und weit davon entfernt, ein professionelles, ausgereiftes Produkt zu sein.

„Wenn Sie eine operative Agentur wie AIMS sind, haben Sie im Allgemeinen nicht den Luxus, viel Zeit hinten im Boot zu verbringen und die Ausrüstung vorzubereiten“, sagt Olsen. „Man braucht etwas, das die Leute einschalten und nutzen können und das funktioniert, denn Zeit drängt. »

Ein weiterer Vorteil des Hydrus für AIMS besteht darin, dass die Drohne in größeren Tiefen als Taucher und unter Bedingungen operieren kann, die für Menschen gefährlich wären. „Dadurch können unsere Forscher weiter ins Wasser blicken und auch in gefährlicheren Situationen operieren, beispielsweise nachts oder in Gegenwart von Bedrohungen wie Krokodilen oder Haien, Orte, an denen wir diese Daten einfach nicht sammeln konnten“, sagt Olsen.

Die Agentur wird die Drohnen zunächst zur Untersuchung von Riffen im nordwestlichen Schelf Australiens einsetzen, darunter Scott Reef und Ashmore Reef. Ziel ist es, regelmäßig Daten zur Korallengesundheit zu sammeln, um den Zustand der Riffe zu überwachen, zu untersuchen, wie sie vom Klimawandel betroffen sind, und hoffentlich frühzeitig vor aufkommenden Problemen gewarnt zu werden. Aber Olsen geht davon aus, dass der Hydrus in Zukunft ein Standardbestandteil ihres Werkzeugkastens zur Meeresüberwachung werden wird.

Diese Geschichte wurde am 11. März 2024 aktualisiert, um das Jahr zu korrigieren, in dem Advanced Navigation Hydrus vorgestellt hat.