Gefangen im Eis

MOSAiC – Multidisziplinäres driftendes Observatorium zur Erforschung des arktischen Klimas

Im September 2019 sticht der deutsche Forschungseisbrecher Polarstern vom norwegischen Tromsø aus in See, um ein Jahr lang durch den Arktischen Ozean zu driften – 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. So können Polarforscher den polaren Winter erforschen, während die Polarstern eine unbekannte Reise auf den Meeresströmungen unternimmt.

Das Ziel der MOSAiC-Expedition ist es, die Arktis als Epizentrum der globalen Erwärmung so genau wie nie zuvor zu untersuchen 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.
In Anlehnung an die bahnbrechende Expedition von Fridtjof Nansen mit seinem hölzernen Segelschiff „Fram“ in den Jahren 1893–1896 wird die MOSAiC-Expedition einen modernen Forschungs-Eisbrecher ein ganzes Jahr lang in die Nähe des Nordpols bringen – darunter erstmals auch während des Polarwinters.

An Bord der Polarstern befindet sich ein Datenerfassungssystem von Gantner Instruments zur Messung der Lasten auf die Stahlkonstruktion des Schiffes. Die Messdaten sollen zu einem besseren Verständnis der Anforderungen an die Eisbeständigkeit führen, um zukünftige Eisbrecherschiffe zu optimieren.

Eisbedingte Lasten auf Eisbrechern verstehen

Selbst für die 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 erzeugt bei Kontakt mit Schiffen einen hohen Druck. Forscher des Instituts für Schiffbaukonstruktionen und -analysen der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH ) nehmen am MOSAiC-Programm teil, um ein besseres Verständnis der Anforderungen an die Eisbeständigkeit zu erlangen und so die Konstruktion zukünftiger eisbrechender Schiffe zu optimieren.

System zur Überwachung von Dehnung

Im Inneren der Polarstern wurde ein Dehnungsüberwachungssystem installiert, bei dem ein Datenerfassungssystem der Q.series X von Gantner Instruments zur langfristigen Messung der auf die Stahlstruktur des Schiffes wirkenden Belastungen im Eis eingesetzt wird. Das Datenerfassungssystem erfasst kontinuierlich Daten von 36 Dehnungsmessstreifen, die an der Rumpfstruktur des Eisbrechers angebracht sind. Die Scherdehnung wird mit vier aktiven Dehnungsmessstreifen in einer Vollbrückenkonfiguration gemessen, während die lineare Dehnung ebenfalls mit einer Vollbrückenkonfiguration, aber mit zwei aktiven und zwei passiven Dehnungsmessstreifen zur Temperaturkompensation gemessen wird. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind mit einem Q.bloxx XL A116 E/A-Modul verdrahtet, das eine genaue, driftarme Signalaufbereitung ermöglicht. Der Q.bloxx XL A116 verfügt über acht Eingangskanäle für Voll-, Halb- und Viertelbrücken-Dehnungsmessstreifen. Jeder Kanal ist individuell konfigurierbar und verfügt über vorgefertigte Signalkonditionierungsfunktionen wie Linearisierung, Filterung, Shunt-Kalibrierung und Leitungsdrahtkompensation.

In-Situ-Messdaten sind wertvoll

Die MOSAiC-Expedition bietet eine einzigartige Gelegenheit, wertvolle In-situ-Daten zu erheben, um ein umfassendes Verständnis der durch das Eis verursachten Belastungen der Schiffsstruktur zu erlangen. Ausschlaggebend für die Wahl der Q.series X ist deren Fähigkeit, eine zuverlässige Langzeit- und eigenständige Datenerfassung ohne angeschlossenen PC durchzuführen. Da keine aktive Datenverbindung vom „Polarstern“ zum Festland zur Verfügung steht, werden die Daten auf einem USB-Stick gespeichert und bei jedem Besatzungswechsel manuell an Land gebracht. Der USB-Stick wird an einen leistungsstarken Edge-Controller vom Typ „Q.station X“ angeschlossen, der die Datendateien kontinuierlich auf den Stick schreibt. Jedes Mal, wenn die Besatzung ein volles USB-Laufwerk ersetzt, werden alle Zwischenmessdaten zwischengespeichert und dann auf das neue USB-Laufwerk übertragen. Es geht kein Datenmuster verloren. Redundante Messdaten werden parallel auf ein zweites USB-Laufwerk geschrieben.

Mit der Q.station X können verschiedene Datenreduzierungstechniken angewandt werden, um die Messdaten zu reduzieren und dennoch die gleichen analytischen Ergebnisse zu erzielen. Das Dehnung tastet mit einer Frequenz von 1000 Hz ab, aber die Daten werden mit einer Abtastrate von nur 1 Hz auf die USB-Laufwerke geschrieben, um den benötigten Speicherplatz zu minimieren. Neben der Erfassung des aktuellen Messwerts werden auch Mittelwert, Standardabweichung und Min-/Max-Werte berechnet und auf der Festplatte gespeichert. Wenn das Überwachungssystem eine plötzliche Änderung der auf die Struktur wirkenden eisbedingten Belastung feststellt, wird ein ereignisbasierter Logger ausgelöst, der die Dehnungsdaten um dieses Ereignis herum mit einer höheren Abtastrate aufzeichnet. Diese hochauflösenden Daten werden dann in einer separaten Datei gespeichert, um eine schnelle und effiziente Analyse zu ermöglichen.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die im Schrank installiert ist, gewährleistet die Datenkontinuität während eines vorübergehenden Stromausfalls. Im Falle eines anhaltenden Stromausfalls sendet die USV einen Auslöser an die Q.station X, wenn ihre Batterie zur Neige geht. Die Datenaufzeichnung wird dann gestoppt und alle Schreibvorgänge auf die USB-Flash-Laufwerke werden beendet, ohne dass es zu einer Datenbeschädigung kommt. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, startet das Überwachungssystem automatisch und setzt die Messung dort fort, wo es aufgehört hat.

Das System zur Überwachung der Dehnung ist nun bereits seit mehreren Monaten in Betrieb. Im Zuge des ersten Besatzungswechsels wird eine erste Datenreihe erfolgreich an die TUHH in Hamburg übertragen werden. Die Q.series X hat sich erneut als zuverlässige Lösung zur Datenerfassung für Langzeitüberwachungsanwendungen bewährt, selbst wenn das Gerät im Eis feststeckt.

Erfolgsfaktoren

Was ist entscheidend für den Erfolg dieser 12-monatigen Belastungsüberwachung?

• Zuverlässige und eigenständige Datenaufzeichnung an mehrere Zielorte
• Intelligente Datenvisualisierung von relevanten Ereignissen
• Einfache und schnelle Datenübertragung
• Design und Produktion aus einer Hand mit kürzesten Lieferzeiten

Möchten Sie mehr über die Messlösungen von Gantner Instruments in den Bereichen Schwingung und Wind erfahren? Erfahren Sie, wie der Entladevorgang von Holzpellets vom Schiff in den Siloturm unter rauen Wetterbedingungen in einer abgelegenen Region Kanadas überwacht wurde.