Wellen auf Knopfdruck

 

März 2014

 

Die weltgrößten Ozeanlabore simulieren Wellen wie auf hoher See. Damit werden Förderschiffe und Offshoreanlagen fit fürs Meer gemacht.

 
 

Kapitän Nemo berichtet seinem Gast Professor Aronnax von den Schätzen der Tiefsee: „Fürs Erste will ich Ihnen sagen, dass es auf dem Grund des Meeres Zink-, Eisen-, Silber-, Goldminen gibt, deren Ausbeutung gewiss sehr ausführbar wäre.“ Jules Vernes Roman „20.000 Meilen unter dem Meer“ über das Unterseeboot Nautilus erschien 1870. Damals war das natürlich noch ein kühner, fantastischer Gedanke. Heute sind Öl- und Gasförderung auf hoher See ein fester Bestandteil unserer täglichen Energieversorgung. Doch es stellen sich auch immer wieder technische Herausforderungen, für die kontinuierlich neue Lösungen gesucht werden.

Versuche im Minimeer

So wird das Design von Förderschiffen, Bohrinseln und anderen Offshoreanlagen bereits vorab an Modellen getestet – unter möglichst realistischen Tiefseebedingungen. Das geschieht zum Beispiel im LabOceano, dem Wellenlabor der meerestechnischen Abteilung an der Bundesuniversität Rio de Janeiro. Zusammen mit zwei fast baugleichen Wellenlaboren in Wageningen, Niederlande, und Schanghai, China, gehört es zu den weltgrößten Anlagen, um Tiefwasserwellen zu erforschen. Das Becken in Rio misst 40 auf 30 Meter und ist 15 Meter tief; in der Mitte gibt es einen Schacht mit 25 Meter Tiefe. 23 Millionen Liter Wasser fasst das Bassin – zehnmal so viel wie ein olympisches Schwimmbecken.

Im echten Ozean entstehen Wellen durch eine hochkomplexe Kombination von Wind, Gezeiten, Strömungen und klimatischen Unterschieden. Corino Corver, verantwortlich für den weltweiten Vertrieb hydrodynamischer Forschungssysteme bei Bosch Rexroth in den Niederlanden, erklärt: „Die Entstehung von Wellen für diese Art von Forschung lässt sich im Labor nicht nachstellen. Aber wir können simulieren, wie sie sich verhalten. Das Wasser bewegt sich nahezu wie in der Natur.“

Wie eine riesige Wasserschlange

Bosch Rexroth in den Niederlanden bietet einen kompletten Wellengenerator an, samt mechanischer Konstruktion, Antriebs- und Steuerungssystem sowie Software, um die Wellen zu berechnen, zu erzeugen und Daten zur Analyse zu sammeln. Paddelsegmente aus rostfreiem Stahl sind das Herzstück des Wellengenerators. Am Rand des Bassins in Rio reihen sich davon 75 Stück aneinander. Sie sind 40 Zentimeter breit, rund 1,80 Meter hoch und liegen zu zwei Dritteln unter Wasser.

Wenn der Wellentest beginnt, kippen sie unabhängig voneinander vor und zurück. Die Bewegung der Paddelreihe gleicht einer riesigen Wasserschlange. Die ersten Wellen rollen durchs Bassin. Allmählich werden sie nacheinander erzeugt, falls benötigt auch von mehreren Seiten: sogenannte 3-D-Wellen. Kämme und Spitzen bilden sich – langkämmige und kurzkämmige Wellen. Horizontale Ventilatoren simulieren Wind. Im Becken schlagen die Wogen gegen ein schaukelndes Modell einer Ölplattform. Sensoren messen dabei Bewegung, Kraft und Abstand.

„Eine bestimmte Wellenform zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmten Stelle im Bassin zu erzeugen – das ist die Herausforderung“, sagt Corver. Denn den Forschungsinstituten geht es darum, an ihren Modellen Szenarien mit unterschiedlichen Wellen und Windstärken so real wie möglich nachzustellen. „Dazu überträgt die Rexroth-Software zur Wellenberechnung und -erzeugung die Parameter für die gewünschte Welle vom Modell her zurück bis zum Wellengenerator und berechnet daraus Winkel und Frequenz, mit denen sich die Paddel bewegen müssen.“ Die elektrischen Servoantriebe der Paddel setzen die Bewegungen um.

Je nach Maßstab des Modells lassen sich die Wellen per Software ganz einfach hoch- oder herunterskalieren. „Dabei gilt natürlich der Grundsatz: je größer der Maßstab des Modells, desto besser die Testergebnisse“, so Corver, „Wir rechnen daher damit, dass in Zukunft noch größere Wellenlabore gebaut werden.“