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Dresdner ermöglicht Blick in die Tiefsee

Will der Mensch sehen, was sich am Meeresboden befindet, muss er dort auch hinschauen können. Ein Dresdner hat genau dafür die Lösung entwickelt. 

Er ist nicht unbedingt attraktiv, aber mit seinen Zähnen sehr effektiv. Der Fangzahnfisch lebt in Meerestiefen bis 5.000 Meter.
Er ist nicht unbedingt attraktiv, aber mit seinen Zähnen sehr effektiv. Der Fangzahnfisch lebt in Meerestiefen bis 5.000 Meter. © Ronald Bonß

Es ist unentdecktes Land. Nasses, kaltes und finsteres Land. Was genau in der Tiefsee der Ozeane passiert, weiß die Menschheit nur zum Teil. Welche Bedingungen dort herrschen, welche Tier- und Pflanzenwelt sich Tausende Meter unter dem Meeresspiegel heimisch fühlt, ist längst nicht komplett erforscht. 

Um dort genauer hinsehen zu können, braucht es Messgeräte, Sensoren und Kameras, denen die Bedingungen in der Tiefe nichts anhaben können. Am besten ist, man packt sie ein. In eine sichere Kapsel, die dem enormen Druck unter Wasser standhält. Bisher werden solche speziellen Gehäuse aus Titan oder Edelstahl hergestellt. Ein teures Unterfangen. Ein Dresdner hat nun eine kostengünstige Variante entwickelt: aus Beton.

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Eigentlich wollte Sebastian Wilhelm gar nicht tief hinab, sondern hoch hinaus. Als der studierte Bauingenieur 2012 mit seinen Forschungen begann, hatte er ursprünglich den Mond im Blick. Als Teil der Helmholtz-Allianz Robex ging es ihm damals um Baustoffe, die auf dem Mond verwendet werden könnten. Im Mittelpunkt seines Interesses stand schon damals der sogenannte ultrahochfeste Beton, kurz UHPC. Eine Betonsorte, die besonders fest und dicht ist und die deshalb auch hohem Druck standhält. „Innerhalb der Allianz fragten uns Kollegen dann, ob wir nicht ein Druckgehäuse für die Tiefsee aus diesem Beton entwickeln könnten.“ Der Mond hatte gegen die Ozeane verloren.

Noch kann Sebastian Wilhelm sein Tiefsee-Druckgehäuse bequem tragen. Die nächste Generation der Kapsel soll schon zwei Meter lang sein. 
Noch kann Sebastian Wilhelm sein Tiefsee-Druckgehäuse bequem tragen. Die nächste Generation der Kapsel soll schon zwei Meter lang sein.  © René Meinig

Es galt also, die perfekte Mischung für solch einen Beton für die Tiefsee zu finden. Normaler Beton besteht aus Sand, Wasser und Zement. Für die ultrahochfeste Variante wird anstatt Sand das Aluminiumerz Bauxit in gebrannter Form verwendet. Hinzu kommen Silicastaub, Quarzmehl, Zement, Wasser und ein Fließmittel. „Wir haben diese Mischung immer wieder angepasst und verbessert“, schildert Wilhelm, damals Mitarbeiter am Institut für Massivbau der TU Dresden. Möglichst wenige Poren sollte das Ergebnis haben. Ein Vorteil von UHPC: Kleine Löcher sind zwar an der Oberfläche zu sehen, sie gehen aber nicht tief ins Material hinein, wie sonst bei Beton üblich. Für die Anwendung unter Wasser ein wichtiger Punkt. Aber auch andere Fragen waren zu klären. Wie sollte das Gehäuse aussehen? Am Computer wurde erst einmal simuliert, was es später aushalten sollte. „In vier Jahren haben wir zwölf verschiedene Geometrien ausprobiert, die immer wieder angepasst wurden.“

Die erste gegossene Druckkapsel aus UHPC testet Wilhelm im Kieler Meeresforschungsinstitut. Der dortige Drucktank kann Bedingungen wie in 10 000 Metern Tiefe simulieren. Wilhelm begnügt sich erst einmal mit 5 600 Metern. „Nach diesen Tests haben wir das Gehäuse immer weiterentwickelt.“ Am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Bremen stehen danach weitere Versuche an. „Dort haben wir das Gehäuse allerdings auch einem Druck wie in 6 000 Metern Tiefe ausgesetzt.“ Das hält die Kapsel nicht aus, sie implodiert. „Aber bis zu diesem Punkt hat alles gut funktioniert.“ Mit einem Außendurchmesser von 25 Zentimetern, einer Länge von fünf Metern und einer Wandstärke von nur zweieinhalb Zentimetern sind die Idealmaße erst einmal gefunden.

Für die Doktorarbeit, deren Gegenstand das Druckgehäuse wird, möchte Wilhelm aber mehr als künstlich simulierte Extrembedingungen im Labor. Es soll wirklich extrem werden. Perfekter Ort dafür: die Arktis. Mit dem Forschungsschiff „Polarstern“ geht es im Jahr 2015 für ein Druckgehäuse ins ewige Eis. Während der Sommermonate im arktischen Ozean wird die Kapsel ausgesetzt. An Land befestigt, treibt sie ein Jahr lang in 2.500 Metern Tiefe – und hält dicht. Trotzdem passiert etwas, das der Wissenschaftler nicht erwartet hatte. „Das Meer hat dort einen sehr hohen Kohlenstoffdioxidgehalt“, erklärt er. Das führt dazu, dass der Beton angegriffen wird. Nach dem ersten Arktis-Versuch entsteht deshalb eine zusätzliche Mischung für eine Schutzschicht, die auf das Gehäuse aufgebracht werden kann. Ein zweites Jahr im Polarmeer zeigt: Jetzt ist der Beton sicher.

Im TU-Labor wurde der Beton für die Kapsel ausgiebig getestet.
Im TU-Labor wurde der Beton für die Kapsel ausgiebig getestet. © TU Dresden

Für die Entwicklung aus Dresden gibt es bereits Interesse. Auch vom Alfred-Wegener-Institut der Helmholtz-Gesellschaft, das solch ein Gehäuse gut für Untersuchungen in der Tiefsee nutzen könnte.  „In Zukunft wird es aber sowieso immer wichtiger werden, technische Geräte ins Meer zu bringen“, sagt Sebastian Wilhelm, der seine Doktorarbeit in diesem Jahr erfolgreich verteidigte. Viele Länder arbeiten derzeit an Plänen für den marinen Bergbau. Denn in den Ozeanen liegen Rohstoffe, die an Land langsam knapp werden. Eine Idee ist die Förderung von Manganknollen. Die mineralischen Klumpen, die so groß wie Kartoffeln sind, bestehen nicht nur aus Mangan und Eisen, sondern auch aus wertvollen Bestandteilen wie Kobalt, Nickel oder Kupfer. Rohstoffe, die in der Stahl- und Elektroindustrie gebraucht werden. Die Knollen liegen am Meeresboden in gut 5 000 Metern Tiefe. Auch Deutschland hat sich im Pazifik eine große Fläche gesichert, um dort irgendwann vielleicht Manganknollen zu fördern. Doch vorher muss erforscht werden, welche Auswirkungen das auf das Ökosystem Meer haben könnte. „Für die weitere Erforschung und auch für den Tiefseebergbau selbst braucht es allerdings Möglichkeiten, wie Energiequellen dort unten effektiv geschützt werden können“, erklärt er. Sein Druckgehäuse könnte das.

Unten zu sehen ist das Gehäuse beim Abtauchen ins Polarmeer. 
Unten zu sehen ist das Gehäuse beim Abtauchen ins Polarmeer.  © Alfred-Wegner-Institut

Im Familienbetrieb, einem Dresdner Ingenieurbüro für Baustatik und Bautechnik, arbeitet Sebastian Wilhelm derzeit. Hochbau ist dort sein Thema. In die Tiefe soll es aber auch weiterhin gehen. Die Fortsetzung seines Forschungsprojekts rund um das Druckgehäuse ist beantragt. „In den nächsten drei Jahren wollen wir die Kapsel natürlich größer machen“, sagt er. Zwei Meter lang könnte die nächste Generation schon werden. Platz für noch mehr Technik für die Tiefe.

Ob der Mensch irgendwann auch mittels Druckgehäuse aus Beton auf dem Meeresboden agieren wird? Für Sebastian Wilhelm ist das schwer vorstellbar. „Dort ist es eisigkalt und finster. 

Absolut keine Umgebung, in der sich der Mensch wohlfühlt.“ Wahrscheinlich würde es deshalb wohl auch künftig Robotern vorbehalten sein, kilometerweit abzutauchen. Das Druckgehäuse könnte dabei eine wichtige Rolle spielen. „Wir stehen am Anfang, aber der erste Schritt ist gemacht.“ Der Dresdner will auch in Zukunft mit dafür sorgen, dass die Ozeane zumindest einen Teil ihrer Geheimnisse preisgeben.

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