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Kommerzielle Schiffe als Forschungsplattform

Experten des Instituts für Küstenforschung haben in den vergangenen Jahren viele Handelsschiffe und Fähren mit automatischen Messanlagen für die Analyse des Meerwassers ausgestattet – den FerryBoxen. Inzwischen ist die Messtechnik auch in anderen Ländern etabliert. Die Daten verraten nicht nur, welche Qualität das Wasser hat, sondern lassen auch Rückschlüsse darauf zu, wie der Klimawandel die Meeresumwelt verändert. In Geesthacht fließen die Messwerte aus ganz Europa in einer Datenzentrale zusammen.

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Frachter können auf ihren Fahrtrouten zusätzlich für die Wissenschaft genutzt werden (Foto: Wilhelm Petersen / HZG)

Wenn man einen Frachter die Elbe hinabfahren sieht, dann mag man an ferne Küsten denken und sich fragen, wohin das Schiff fährt oder was es geladen hat. Auf die Idee, dass der Frachter auch in Sachen Wissenschaft unterwegs sein könnte, kommt man vermutlich nicht so schnell. Und doch: Auf der Ostsee, der Nordsee, im Mittelmeer und sogar zwischen Dänemark und Island sind täglich Frachter, Fähren und auch Kreuzfahrtschiffe auf Reisen, die permanent wissenschaftliche Daten sammeln. In ihren Maschinenräumen stehen Messschränke von der Größe eines Kühlschranks, die sogenannten FerryBoxen, die vollautomatisch Wasserproben nehmen und diese analysieren.

„Die kommerziellen Schiffe dienen uns damit quasi als Forschungsplattform“, sagt Dr. Wilhelm Petersen, Messtechnik-Spezialist am Institut für Küstenforschung des HZG. „Sie verkehren ständig auf denselben Routen, sodass wir sehr gut feststellen können, wie sich die Eigenschaften des Wassers entlang der Route oder im Laufe der Zeit ändern.“ Wilhelm Petersen und seine Kollegen erhalten damit wichtige wissenschaftliche Daten frei Haus.

Mehr als 30 Schiffe

Die FerryBox-Technik ist seit gut fünfzehn Jahren im Einsatz. Im Laufe der Zeit wurden immer neue Schiffe damit ausgerüstet. Zunächst nur einige Fähren. Inzwischen sind sie vor allem auf Handelsschiffen im Einsatz. Unter der Regie von Wilhelm Petersen und seinen Mitarbeitern sind bis zu zehn FerryBoxen in Betrieb. Europaweit sind es 30 bis 35 Systeme, die Forscherkollegen in Finnland, Norwegen, Italien, Frankreich und weiteren Ländern betreiben.

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Blick in das Innere einer FerryBox (Foto: Carsten Lippe / NLWKN)

Die FerryBoxen sind Hightech-Anlagen, die von Wilhelm Petersen und seinen Kollegen in Zusammenarbeit mit einer Firma entwickelt wurden. Über einen eigenen Einlass im Schiffsrumpf saugen sie Wasser an und pumpen dieses durch eine Art Mess-Parcours, an dem gleich mehrere Sensoren oder auch Analysegeräte sitzen. Diese messen die Temperatur, den Salz- und Sauerstoffgehalt des Wassers oder die Menge des Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll, woraus man auf die Menge an Algen im Wasser schließen kann. Auch die Menge an gelöstem Kohlendioxid sowie der Säuregrad des Wassers, der pH-Wert, werden erfasst.

Die Technik hat es in sich. Während kontinuierlich frisches Wasser aus dem Meer durch die Leitung gepumpt wird, führen die Geräte alle 20 Sekunden eine Messung durch. 20 Sekunden entsprechen bei einem großen Schiff mit einer Reisegeschwindigkeit von 10 bis 15 Knoten einer Fahrtstrecke von rund 100 bis 150 Metern; eine ausgesprochen hohe Auflösung. So liefert eine FerryBox allein auf der Strecke von der norwegischen Stadt Moss zum englischen Nordseehafen Immingham Daten von rund 6.000 Messpunkten. Mithilfe des GPS protokolliert die FerryBox für jeden Messpunkt die genauen Koordinaten.

Datenzentrale in Geesthacht

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Kontinuierlich aufgenommene Daten von gelöstem Kohlendioxid (pCO2) entlang der Route Halden - Zeebrugge (Grafik: HZG)

Hat das Schiff den Hafen erreicht, sendet die FerryBox die während der Fahrt gesammelten Messdaten per Mobilfunk nach Geesthacht. Am HZG haben Wilhelm Petersen und seine Kollegen in den vergangenen Jahren eine ausgeklügelte FerryBox-Datenbank aufgebaut. Die per Mobilfunk übertragenen Messwerte fließen automatisch in die Datenbank ein, müssen also nicht per Hand erfasst oder geordnet werden. Zudem kann das System automatisch die Daten bewerten. Es prüft für jeden einzelnen Wert, ob dieser plausibel ist. Schummelt sich während der Fahrt zum Beispiel ein Luftbläschen in die Leitungen der FerryBox, kann es sein, dass die Messgeräte unsinnige Werte liefern. Die Datenbank-Algorithmen versehen deshalb jeden Wert vor dem Abspeichern mit einem sogenannten Quality-Flag, einem Qualitätswimpel, einer Art Gütesiegel. Petersen: „Damit erreichen wir von Anfang an, dass für die spätere Datenanalyse nur verlässliche Werte genutzt werden.“

Die FerryBox-Datenbank hat viele Forscher-Kollegen in anderen europäischen Ländern überzeugt: Sie schicken ihre eigenen FerryBox-Daten ebenfalls zur Archivierung nach Geesthacht. „Einige Forschergruppen hingegen möchten ihre Daten lieber zunächst in ihren eigenen Systemen speichern und gebe diese ungern heraus“, sagt Wilhelm Petersen. „Doch insgesamt kann man sagen, sind wir inzwischen zu einer Art europäischer FerryBox-Zentrale geworden.“

Wasseranalyse in aller Welt

Und nicht nur in Europa ist Wilhelm Petersen aktiv. Auch in China wurde eine FerryBox getestet. Sie wird seit einiger Zeit auf einem Forschungsschiff genutzt. Und in Chile ist eine FerryBox geplant, die auf einer Fähre installiert wird, die in den Fjorden Patagoniens unterwegs ist. Sie hat gleich zwei Aufgaben. Zum einen soll sie messen, inwieweit die Aquakultur dort die Fjorde verschmutzt. Zum anderen macht sich ganz im Süden des amerikanischen Kontinents der Klimawandel stärker bemerkbar als anderswo. Die Gletscher Patagoniens schmelzen ab. Zugleich scheint das Wasser zu versauern. Wie sich beides auf die Wasserlebensräume auswirkt, soll auch mit den Messwerten der FerryBoxen untersucht werden.

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Vorbereitung einer FerryBox im Labor für ihren späteren Einsatz auf einem Schiff (Foto: Christian Schmid / HZG)

„Zu Beginn haben wir vor allem physikalische und ozeanographische Parameter wie Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt gemessen“, sagt Wilhelm Petersen. „Doch im Zuge des Klimawandels sind eben vor allem auch der pH-Wert oder die Menge des im Wasser gelösten Kohlendioxids entscheidend. Wir haben die FerryBoxen daher immer wieder um neue oder empfindlichere Messtechnik erweitert.“

Der große Vorteil einer Installation im Schiff ist, dass die Messtechnik gut geschützt ist und dass es ausreichend Energie gibt. Bei Messgeräten, die man auf Bojen oder in Unterwasserfahrzeugen installiert, muss man stets darauf achten, dass die Kapazität der Bordbatterien ausreicht. Das beschränkt den Einsatz der Geräte. Auch könne die FerryBox sich selbst reinigen, sagt Petersen: Damit die Leitungen und Sensoren nicht von Bakterien, Algen oder Seepocken überwuchert werden, spült die FerryBox die Leitungen bei jedem Stopp im Hafen mit Frischwasser oder auch mit Druckluft. Auch das sei bei einer Messboje oder ähnlichen Anlagen nicht möglich.

Jede Menge Daten für wissenschaftliche Veröffentlichungen

Die Wissenschaftler des Instituts für Küstenforschung haben im Laufe der Zeit einige interessante Erkenntnisse gewonnen. So können sie inzwischen relativ genau sagen, wann und unter welchen Bedingungen in der Nordsee Algenblüten auftreten. In einer aktuellen Veröffentlichung im Fachjournal Limnology and Oceanography zeigen sie, dass die biologischen Vorgänge im Wattenmeer und der Austausch von biochemischen Substanzen zwischen Sediment, Wasser, Land und Atmosphäre offenbar der Ozeanversauerung entgegenwirken.

Das Wattenmeer wirkt dabei als eine Art natürlicher Bioreaktor, in dem organische Substanz umgesetzt und dabei säurebindende Kohlenstoffkomponenten entstehen, die auch in die offene Nordsee transportiert werden. Damit erhöht sich in der Nordsee die Aufnahmekapazität für Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Und so wirken diese Gebiete als Kohlenstoff-Senke für das Kohlendioxid. Grundlage dieser Erkenntnis sind FerryBox-Daten von der „Hafnia Seaways“, einem Frachtschiff, das regelmäßig zwischen Cuxhaven und Immingham pendelte.

Ausgesprochen ausbaufähig

Da die FerryBoxen in den Schiffen mit ausreichend elektrischem Strom und Frischwasser versorgt sind, lassen sie sich beinahe beliebig erweitern. Angedacht ist etwa, Wasserproben zu entnehmen und diese auf Mikroplastikpartikel zu untersuchen. Eine weitere Idee für die Zukunft ist es, die Geräte um DNA- beziehungsweise Gen-Sonden zu ergänzen, mit denen man bestimmen kann, welche Planktonorganismen sich im Wasser befinden. Damit ließen sich unter anderem giftige Algen nachweisen, die in manchen Meeresgebieten gefährliche Algenblüten bilden können, die sogenannten Harmful algal blooms (HABs). Diese treten unter anderem in den stark mit Nährstoffen überdüngten chinesischen Küstenregionen auf.

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Kontinuierliche Datensammlung durch regelmäßigen Fährverkehr (Foto: Ina Frings)

Aber im Grunde sind die FerryBoxen bereits mit ihrer jetzigen Ausstattung an Messtechnik ausgesprochen ausgeklügelt und faszinierend. Wer ihnen bei der Arbeit zuschauen möchte, kann das zum Beispiel an Bord der „Mein Schiff 3“ tun. Auf dem Kreuzfahrtschiff gibt es ein Infoterminal, an dem sich ablesen lässt, welche Messungen die FerryBox gerade durchführt. Und auch die norwegische Hurtigruten AS stattet ihr neues Kreuzfahrtschiff, die „Roald Amundsen“, mit einer FerryBox von den norwegischen Forscherkollegen aus. Die wird allerdings nicht in Europa, sondern im Gebiet um die Antarktis unterwegs sein. In Sachen Klimawandel aber dürften ihre Messwerte von besonderem Interesse sein.

(Text: Tim Schröder / Wissenschaftsjournalist)

FerryBox - Wenn Fähren zu Forschungsschiffen werden


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Dr. Wilhelm Petersen

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