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 treiben – gefangen im Eis. Im Meereis festzusitzen ist normalerweise das Letzte, was Schiffe tun wollen. Doch der deutsche Eisbrecher wird 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.

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 entscheidend sind. Mehr als 70 Forschungseinrichtungen aus 20 Ländern sind an der Expedition 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 polaren Winter.

An Bord der Polarstern befindet sich ein Datenerfassungssystem von GANTNER INSTRUMENTS zur Messung der Lasten auf die Stahlstruktur 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 derartige Expeditionen in der Arktis behindert. Meereis ist ein komplexes Material, das beim Kontakt mit Schiffen hohe Drücke erzeugt. Forscher des Instituts für Schiffbaukonstruktion und -analyse der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH ) nehmen am MOSAiC-Programm teil, um ein besseres Verständnis der Anforderungen an die Eisbeständigkeit zu erlangen und die Konstruktion künftiger 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 (DMS), die an der Rumpfstruktur des Eisbrechers installiert sind. Die Scherdehnung wird mit vier aktiven Dehnungsmessstreifen in einer Vollbrückenkonfiguration gemessen, während die lineare Dehnung ebenfalls mit einer Vollbrückenkonfiguration gemessen wird, jedoch mit zwei aktiven und zwei passiven Dehnungsmessstreifen zur Temperaturkompensation. Die Dehnungsmessstreifen-Sensoren sind mit einem Q.bloxx XL A116-I/O-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 einmalige Gelegenheit, wertvolle Daten vor Ort zu sammeln, um ein umfassendes Verständnis der eisbedingten Belastung der Schiffsstruktur zu erhalten. Ausschlaggebend für die Wahl der Q.series X ist ihre Fähigkeit, eine zuverlässige Langzeit- und Stand-Alone-Datenerfassung ohne angeschlossenen PC durchzuführen. Da es keine aktive Datenverbindung von der Polarstern zum Festland gibt, werden die Daten auf einem USB-Flash-Laufwerk gespeichert und bei jedem Wechsel der Besatzung von Hand an Land getragen. Das USB-Flash-Laufwerk ist an einen Q.station X Hochleistungs Edge Controller angeschlossen, der kontinuierlich Datendateien auf das Flash-Laufwerk schreibt. Jedes Mal, wenn das Personal ein volles USB-Laufwerk ersetzt, werden alle Zwischenmessdaten gepuffert 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 angewendet werden, um die Messdaten zu reduzieren und dennoch dieselben Analyseergebnisse zu erzielen. Das Dehnungs-Monitoring-System 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 Dehnungsdaten rund um dieses Ereignis mit einer höheren Abtastrate aufzeichnet. Diese hochauflösenden Daten werden dann in einer separaten Datei für eine schnelle und effiziente Analyse gespeichert.

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die im Schrank installiert ist, gewährleistet die Datenkontinuität während eines vorübergehenden Stromausfalls. Im Falle eines dauerhaften Stromausfalls sendet die USV einen Trigger an die Q.station X, wenn deren Batterie schwach wird. Die Datenerfassung 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 Messungen dort fort, wo es aufgehört hat.

Das System zur Überwachung der Dehnung ist nun schon seit einigen Monaten in Betrieb. Mit dem ersten Crewwechsel wird ein erster Datensatz erfolgreich an die TUHH in Hamburg übertragen. Die Q.series X hat sich erneut als zuverlässige Datenerfassungslösung für Langzeitüberwachungsanwendungen bewährt, selbst wenn sie im Eis gefangen ist.

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 im Bereich Schwingungen und Wind erfahren? Finden Sie heraus, wie der Entladevorgang von Holzpellets vom Schiff zum Siloturm überwacht wurde, und zwar unter rauen Wetterbedingungen in einem abgelegenen Gebiet in Kanada.