Reger Verkehr unter Wasser

Um den Hafenmüll aufzuspüren und zu bergen, arbeitet er mit den anderen autonomen Apparaten aus dem Projekt Seaclear 2.0 zusammen – einer Drohne, die aus der Luft nach Müll Ausschau hält, sowie einem zweiten AUV, dem „Mini Tortuga“, das hochaufgelöste Aufnahmen des Meeresbodens und des Mülls macht. Der Dritte im Bund ist ein kleines Boot, das als Zentrale dient.

Auf dem Boot laufen die Daten aus der Drohne, dem Mini Tortuga und dem Smart Grapple zusammen. Zudem ist ein Dieselgenerator an Bord, der alle Geräte mit Strom versorgt. Und am Heck befindet sich ein kleiner Kran, an dem der Smart Grapple zu Wasser gelassen und voll beladen wieder hochgezogen wird. „Multirobotersystem“ nennt Stefan Sosnowski dieses Bündel aus Boot, Drohne und Unterwasserrobotern. Etwa zehn Tage lang kann es in Häfen unterwegs sein und so lange selbstständig arbeiten, bis der Treibstoff aufgebraucht ist.

Großputz im Hafenbecken

Viel von der Technik, die heutige AUV an Bord haben, findet sich auch bei Seaclear-2.0-Apparaten, etwa beim Mini Tortuga. Sofern das Wasser klar ist, nimmt es den Grund der Hafenbecken mit einer Full-HD-Videokamera auf. Ist das Wasser trübe, wird das Sonar eingeschaltet, das den Grund mit Schall abtastet. Überdies ist ein Magnetometer an Bord, das Gegenstände aus Metall erspüren kann. Die Daten werden von der Drohne und dem Mini Tortuga ans Boot geschickt und dort im Bordrechner zu einer detaillierten Karte des Hafenbeckenbodens verarbeitet. Sie enthält auch die genauen Positionen der Müllteile.

Anhand dieser Karte orientiert sich dann der Smart Grapple. Sobald er ins Wasser abgesenkt ist, starten seine Propeller. Anhand der digitalen Karte bewegt er sich zu den Müllobjekten. Um die Punkte ansteuern zu können, muss er natürlich selbst wissen, wo er sich gerade befindet beziehungsweise wie schnell er sich bewegt. Doch die Geschwindigkeitsmessung unter Wasser ist knifflig.

An Land ermittelt man heutzutage die eigene Position mithilfe des GPS-Systems. Im Wasser geht das nicht. Deshalb ist der Smart Grapple mit einem Gerät ausgestattet, das die Geschwindigkeit misst – einem Doppler Velocity Log (DVL). Das DVL sendet Schallimpulse hinab, die vom Meeresboden reflektiert und zum Smart Grapple zurückgeworfen werden. So wie sich bei einem vorbeirasenden Krankenwagen die Tonhöhe der Sirene ändert, verändert sich auch die Frequenz des Schallsignals, wenn der Roboter über den Meeresboden gleitet. Daraus berechnet das DVL die eigene Geschwindigkeit – und führt den Smart Grapple von der Startposition zielsicher zum nächsten Altreifen.

Der Trend: billiger und leistungsfähiger

„Am DVL wird deutlich, wie die Miniaturisierung die Unterwassertechnik billiger macht“, sagt Sosnowskis TUM-Kollege Daniel-André Dücker. „Vor wenigen Jahren war ein DVL noch so groß wie eine Bierkiste. Jetzt hat es nur noch Faustgröße und ist um viele Tausend Euro günstiger.“ Inzwischen sind Bausätze für Unterwasserfahrzeuge für rund 5.000 Euro auf dem Markt, die man selbst programmieren und mit Kameras, DVL sowie anderer Technik ausstatten kann. „Drohnifizierung“ nennt Daniel-André Dücker diesen Trend, weil die AUV und ROV wie die fliegenden Drohnen immer billiger und leistungsfähiger werden. Sie sind inzwischen so preisgünstig, dass sich sogar technisch versierte Laien ein ROV mit Kabel und Fernsteuerung leisten können. Für viele Anwendungen seien einfache ROV mit Kamera vollkommen ausreichend, sagt Dücker. In vielen Häfen kommen die Hafenkanten und Kaianlagen langsam in die Jahre, die nach dem Krieg gebaut worden sind, berichtet er. „Bisher müssen Taucher ins Wasser, um sie zu inspizieren. Künftig lässt sich das sehr einfach mit ROV erledigen.“

Über viele Jahre waren AUV und ROV eine ausgesprochen kostspielige Angelegenheit. So gaben Meeresforschungsinstitute bei Schiffbauern Millionen Euro teure Sonderanfertigungen von Tauchrobotern in Auftrag. Firmen wie die kanadische Cellula Robotics bauen AUV, die so groß und schwer sind wie Lastwagen. Die AUV können 20 Tage und länger unterwegs sein und dabei mehrere Tausend Kilometer zurücklegen – zum Beispiel, um nach feindlichen U-Booten zu horchen oder um Gas-Pipelines auf Schäden abzusuchen. Doch diese schweren und teuren Geräte bleiben exklusive Technik für große Unternehmen oder das Militär. Die Zukunft liegt in kleinen, technisch ausgereiften und bezahlbaren Apparaten. Erst mit ihnen wird die Unterwasserwelt zum Massenmarkt.

Vor allem für den Einsatz auf dem offenen Meer brauchte man bislang große AUV und ROV – Apparate, die Wellen und starken Strömungen trotzen und den einen oder anderen Rempler gegen die Bordwand verzeihen. „Im Offshore-Einsatz wird es bislang sehr schnell sehr groß und sehr teuer“, sagt Nico Günzel, Geschäftsführer der Rostocker Start-up-Firma Framework Robotics. Zusammen mit seinen Kollegen hat er deshalb eine Alternative entwickelt, ein kompaktes ROV, das so stark und robust ist wie ein großes – den „Buddy“. Bei mehreren deutschen Meeresforschungsinstituten ist der nur etwa 70 mal 100 Zentimeter kleine Apparat bereits im Einsatz. Der Buddy wird über ein Kabel gesteuert und mit Energie versorgt. Er ist mit kräftigen Propellern ausgestattet, mit denen er sogar bei starker Gezeitenströmung in der Nordsee auf Position bleibt.

Dünne Kabel unter Hochspannung

Dafür braucht es viel Leistung. Normalerweise müsste man dafür dicke Kabel verwenden. Doch dicke Kabel bieten der Meeresströmung viel Widerstand, sodass sie leicht verdriftet werden. Dagegen kann ein ROV kaum ankämpfen. „Wir mussten einiges an Elektroniktechnik-Expertise investieren, um eine Lösung zu finden“, sagt Nico Günzel. „Jetzt sind wir in der Lage, elektrischen Strom mit einer hohen Spannung von 800 Volt durch ein sehr dünnes Kabel zu jagen, um die starken Propeller zu versorgen.“

Und der Buddy bietet noch mehr. Sein Chassis ist so gestaltet, dass man mehrere der Geräte über Verbindungsstücke miteinander koppeln und zu einem größeren ROV zusammenbauen kann. „Je nachdem, was unsere Kunden wünschen, können sie außerdem Greifarme, Messgeräte, Kameras, Sonare oder DVLs am Buddy befestigen“, sagt Günzel. Und noch ein Detail sei wichtig. Alle Komponenten des Chassis sind 3D-gedruckt. Für die Kunden sei das von Vorteil. Sollte ein Bauteil kaputtgehen, lässt es sich sofort nachdrucken – „und das ganz egal, in welchem Land unsere Kunden sitzen. Per Internet können wir die Druckdaten direkt zu ihnen schicken, sodass sie sich das Bauteil selbst ausdrucken können“, betont Günzel – Lieferzeit gleich null.

Roboter statt Taucher

Neben Meeresforschungsinstituten gehören auch Tauchdienstleister zu Nico Günzels Kunden. Daher weiß er, dass AUV und ROV auch dort mittlerweile sehr gefragt sind. Tauchereinsätze sind gefährlich und teuer, außerdem fehlt es auch den Tauchdienstleistern an Fachpersonal. Deshalb kommen auch dort immer öfter AUV und ROV zum Einsatz.

Andererseits erledigen Taucher oft Schwerstarbeit. Sie müssen unter Wasser schrauben, sägen, hämmern und schweißen. Für Roboter sind das alles recht anspruchsvolle Handgriffe. Am Robotics Innovation Center (RIC) des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz in Bremen hat der Robotik-Experte Leif Christensen daher zusammen mit seinen Mitarbeitern den „Cuttlefish“ entwickelt, ein starkes AUV, das mit seinem Greifarm Ventile aufschrauben, Luken öffnen und viele andere Handgriffe ausführen kann, die bei Wartungsarbeiten anfallen. Zu diesem Zweck kann der Cuttlefish im Wasser seine Position ändern. Schwimmt er vorwärts, liegt er flach im Wasser. Wenn er zupacken soll, stellt er sich aufrecht, wie ein Taucher bei der Arbeit. Der Trick, der dabei zum Einsatz kommt: Die Bordbatterie im Inneren des Cuttlefish lässt sich verschieben, wodurch er seinen Schwerpunkt verlagern und zwischen der aufrechten Position und der Schwimmhaltung hin- und herschwenken kann.

Doch bei der Arbeit unter Wasser gibt es noch eine ganz andere Herausforderung, die Strömung. Streckt ein AUV den Arm aus, greift die Strömung an. Das AUV dreht sich oder driftet ab. Der Cuttlefish muss daher dafür sorgen, auf Position zu bleiben. Dazu ist er unter anderem mit Lage- und Beschleunigungssensoren ausgestattet. Eine KI verrechnet die Sensordaten und steuert die Propeller so, dass der Roboter auf der Stelle verharrt.

Testfeld in der Ostsee vor Nienhagen

Inzwischen gibt es eine ganze Reihe von Unterwasser-Technikschmieden, die in den kommenden Jahren in den Markt einsteigen wollen. Sie alle müssen ihre Geräte testen, ehe sie sie verkaufen können. Das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD betreibt daher in der Ostsee vor Nienhagen bei Rostock ein Unterwasser-Testfeld. In einigen Metern Tiefe liegen dort Betonklötze auf dem Grund – Quader, vierbeinige Tetrapoden und andere Strukturen, ein wahrer Hindernispark für Tauchgeräte. Auch ein Stahlmast steht dort, mit einem Container, in dem Technik verstaut ist. „In unserem Testfeld, dem Digital Ocean Lab, können Start-ups herausfinden, wie gut ihre Technik unter Wasser arbeitet. Denn bislang haben wir ein Henne-Ei-Problem“, sagt Sascha Krohmann, Leiter des Digital Ocean Labs. „Den Start-ups fehlt das Kapital, um durchzustarten. Die Kapitalgeber wollen sichergehen, dass die neue Technik auch funktioniert, ehe sie investieren – wir bieten die Möglichkeit für entsprechende Tests.“ Im Winter, wenn es windig und die See rau ist, weichen die Forscher auf ein großes Wasserbecken an der Universität Rostock aus.

An einem Nachmittag im November sind dort zwei Männer von der norwegischen Firma Waterlinked zu Besuch. Sie haben ein ROV von der Größe eines Rasenmähers dabei. Der Entwicklungsingenieur Thilo Huck steuert es mit zwei Joysticks über ein Kabel durch das Becken. Neben ihm am Beckenrand steht ein Laptop, auf dem das Livebild der Bordkamera zu sehen ist. Die Wand des Beckens kommt in Sicht, rostige Stahlstreben, eine Leiter und ein paar Messgeräte, die von oben ins Wasser reichen. „So, ich schalte jetzt mal unser 3D-Sonar mit dazu“, sagt Thilo Huck. Auf dem Laptop erscheint neben dem Kamerabild eine Wolke aus tanzenden Pixeln. Sie ist unschärfer als im Kamerabild, aber trotzdem ist der Beckenrand mit den Stahlstreben deutlich zu erkennen – alles in 3D-Anmutung. „Großartig, oder?“, sagt Huck. „Das Bild wird nur aus Schall erzeugt und bietet trotzdem einen klaren räumlichen Eindruck.“

Dem Ingenieur ist der Stolz anzumerken, denn Sonare liefern normalerweise nur 2D-Information – etwa den Abstand zu einem Hindernis. Es ist schwer, darin Objekte zu erkennen. Anders das neue 3D-Sonar, das zudem ausgesprochen kompakt und nur etwa so groß wie zwei Zigarettenschachteln ist. „Das ist derzeit das kleinste und preiswerteste 3D-Sonar auf dem Markt“, betont Hucks Kollege, der Entwicklungsmanager Alejandro Basauri. Er hofft, dass das Gerät zu einem Verkaufsschlager wird.

Als eine Forschungseinrichtung kitzelt das Bremer RIC derzeit sogar noch mehr aus der Sonartechnik heraus. Das Team von Leif Christensen hat eine KI so trainiert, dass sie aus der verrauschten Pixelwolke eines Sonars ein Bild erzeugt, dass Kameraqualität hat. Der Grund: In trüben Gewässern mit einer Sichtweite von wenigen Zentimetern sieht eine normale Kamera nichts mehr. Nur das Sonar kann dann noch per Schall die Umgebung abtasten. Dank ihrer neuen KI wandeln die RIC-Experten das Sonar-Signal jetzt in ein passables Bild. „Das Ganze ist in Zusammenarbeit mit dem Technischen Hilfswerk entstanden“, berichtet Leif Christensen. „Die Taucher werden aus Sicherheitsgründen bei ihrer Arbeit von Kollegen an Land beobachtet, mit Kamera-ROV. Allerdings: Im Trüben können sie die Taucher unter Wasser bislang kaum erkennen. Mithilfe der Künstlichen Intelligenz ist das jetzt möglich.“

Schiffseinsätze sollen entfallen

Lösungen wie diese zeigen, was die Unterwassergeräte inzwischen alles können. Große Hoffnungen ruhen vor allem auf den AUV, die sich allein auf den Weg in die Tiefe machen. „Ein Ziel für die kommenden Jahre ist es, mit AUV teure Schiffseinsätze einzusparen“, sagt Sascha Krohmann vom Digital Ocean Lab in Rostock. Ein Schiffseinsatz für einen Offshore- Windpark koste je nach Größe des Schiffs und der Mannschaft zwischen 60.000 und mehreren Hunderttausend Euro. „Wir hoffen, in wenigen Jahren AUV vom Hafen aus starten zu können, die dann von allein zur Inspektion in einem Windpark aufbrechen und wieder zum Hafen zurückfinden.“ Außerdem sei es denkbar, autonome Unterwasserroboter in Windparks ähnlich wie Rasenmähroboter an Ladestationen zu parken. So wären sie jederzeit vor Ort. Solche AUV-Lösungen würden die Kosten für die Windparkbetreiber enorm senken.

Künstliche Intelligenz ist der Schlüssel

Natürlich ist das nur möglich, wenn sich die AUV allein orientieren können. So müssen sie beispielsweise automatisch die Masten von Windkraftanlagen erkennen und den Weg zur Ladestation zurück finden. Techniken wie preisgünstige Doppler Velocity Logs und 3D-Sonare helfen dabei. Außerdem müssen die eigenständig agierenden Vehikel in der Lage sein, Veränderungen wahrzunehmen – zum Beispiel Risse, die sich in Stahltürmen, Kabeln oder Pipelines auftun. Dank KI ist das möglich.

Was unter Wasser dank KI auch noch machbar ist, zeigt einmal mehr das Müllsammelprojekt Seaclear 2.0. Die daran beteiligten Wissenschaftler haben fast 8.000 Bilder von Abfallobjekten im Hafenschlamm geschossen – Glasflaschen, Fahrräder, Einkaufswagen, Anker – und ihre KI damit trainiert. Dabei herausgekommen ist die größte Unterwassermüll-Bilddatenbank der Welt. Damit erkennt die Künstliche Intelligenz jetzt so gut wie jeden Abfall – selbst dann, wenn nur noch eine Ecke aus dem Schlamm hervorlugt. Und dadurch kann der Smart Grapple fast jeden Schrott aus dem Hafenbecken herausholen. ■

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…