Elektrochemische Sensorik: Sprengstoffe im Meer zuverlässig nachweisen
Zum Beispiel innovative elektrochemische Sensoren aus dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe. Sebastian Geiger, Sensorsystemtechniker: »Ich vergleiche unser System gerne mit einem Spürhund, der unter Wasser Sprengstoff erschnüffeln kann.« Ein verdächtiger Fund ließe sich so schnell überprüfen. Die elektrochemische Nase ist zurzeit noch auf einem Rover montiert, einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug. Sie kann aber auch auf autonomen Tauchrobotern wie dem Manta-Rochen angebracht werden und dort die vorhandene Sensorik ergänzen. Um möglichst viel davon auf einem Trägersystem unterbringen zu können, muss sie so klein wie möglich sein – und dennoch äußerst robust. Geiger: »Unter Wasser haben wir ähnlich große Anforderungen an die Sensorik wie im Weltraum, vielleicht sogar noch größere.« Salzwasser ist korrosiv, darin schwimmen Schwebstoffe, die die Elektrodenoberflächen verschmutzen und Leitungen verstopfen können, es gibt zum Teil starke Strömungen, die Druck- und Temperaturschwankungen sind hoch.
Unterwasser-Sensoren im Härtetest: Salzwasser, Strömung und hoher Druck
Trotzdem konnte das Sensorsystem aus dem Fraunhofer ICT im Praxistest in der Kieler Bucht überzeugen. Hier, nur zwei Kilometer vom Badestrand des Ostsee-Erholungsgebietes Heidkate entfernt, beginnt eines der größten offiziell ausgewiesenen Munitionsversenkungsgebiete. In der »Kolberger Heide« wurden nach dem Zweiten Weltkrieg massenweise Minen, Granaten, Bomben und Kleinmunition entsorgt – die deutschen Waffenbestände sollten möglichst schnell und irreversibel unbrauchbar gemacht werden. Geiger berichtet: »Der Meeresboden ist über etwa 1200 Hektar mit Munition verseucht.« Mit ihrem Rover steuerten die Forschenden im Sperrgebiet systematisch Minen an. Dabei sei wichtig, so Geiger, dass sich die elektrochemische Nase, die vorne am Unterwasserfahrzeug installiert ist, gegen die Strömung dem Zielobjekt nähert. »Ein Spürhund riecht ja auch am besten, wenn der Geruch mit dem Wind an ihn herangetragen wird.«
Sprengstoffdetektion: TNT, RDX und HMX im Wasser erkennen
Für die chemische Analyse nutzen Geiger und sein Team die Methode der zyklischen Voltammetrie. Geiger: »Viele Stoffe haben ihren eigenen elektrochemischen Fingerabdruck. Mit der zyklischen Voltammetrie kann man ihn lesen.« Dafür legen die Forschenden an die Wasserprobe, die automatisch in den Sensorkopf gepumpt wird, eine sich stetig verändernde elektrische Spannung an und messen gleichzeitig hochgenau den Strom. Chemische Substanzen können durch elektrische Spannungen dazu gebracht werden, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Je mehr Elektronen hin- und herwandern, desto stärker der Strom. Die gemessene Strom-Spannungs-Kurve ist für den Stoff charakteristisch.
Die elektrochemische Nase detektiert TNT und andere bekannte militärische Hochleistungssprengstoffe wie RDX oder HMX bis zu wenigen Mikrogramm pro Liter. Das Gerät kann über zwölf Stunden etwa alle fünf Minuten eine Probe nehmen, ohne zwischendurch auftauchen zu müssen. Geiger: »Damit wäre es also möglich, größere Gebiete unter Wasser abzufahren und an verschiedenen Messpunkten zu kontrollieren.« Zurzeit arbeitet das Forschungsteam daran, die Sensitivität der Sensorik weiter zu steigern.
Warum Sonar bei der Suche nach Altmunition unverzichtbar ist
Allerdings kann der elektrochemische Spürhund nur dann anschlagen, wenn die Sprengstoffe bereits entweichen und im Wasser auffindbar sind. Geiger: »Es ist wie beim menschlichen Körper: Man braucht nicht nur den Geruchssinn, sondern weitere Sinne wie beispielsweise das Gehör, also Sonar, um die Situation besser zu erfassen.«
Sascha Krohmann, Fraunhofer IGD, ergänzt: »Die Schallwellen eines Sonars werden im Wasser sehr gut transportiert. Wenn sie stark genug sind, können sie sogar in den Boden eindringen.« Treffen sie dabei auf Objekte, werden die akustischen Wellen reflektiert und mit Unterwassermikrofonen, sogenannten Hydrofonen, wieder aufgefangen. Anhand der Stärke und der Form des Echos lassen sich je nach verwendeter Frequenz Lage, Material, Größe oder Oberflächenstruktur des Objekts ableiten.
Zurzeit testen Krohmann und sein Team gemeinsam mit dänischen Partnern unter anderem ein extrem leistungsstarkes Seitensichtsonar – dieses Mal nicht in den UXO-Gärten, sondern vor der dänischen Küste. Es ist in einem innovativen Gerät mit zahlreichen anderen Sensoren verbaut, das von einem Spezialschiff über den Meeresboden geschleppt wird. Krohmann: »Mit diesem Sonar schaffen wir es, vom Schiff aus zu jeder Seite rund 200 Meter hochauflösend zu gucken – doppelt so weit wie mit herkömmlichen Geräten.« Kombiniert wird es mit einem Multibeam-Echolot, mit dem die Forschenden vor jeder Suchaktion den Meeresboden großflächig kartieren und bereits grob größere Objekte und Hügel im Sediment erkennen können. Das Subbottom-Sonar ermöglicht schließlich den Blick in den Boden – ebenso wie ein Magnetometer, das die Sonar-Systeme ergänzt, weil es magnetische Objekte auch hinter Hangkanten oder in trübem Wasser entdeckt, wo Sonarbilder oft schwer interpretierbar sind.
Künstliche Intelligenz in der Munitionsräumung: Kampfmittel automatisch klassifizieren
Krohmann: »All diese Daten, die wir hier sammeln und auch schon bei uns in den UXO-Gärten gesammelt haben, wollen wir zusammenführen und auswerten, um die Anzahl der verdächtigen Objekte bestmöglich einzugrenzen.« Helfen sollen dabei KI-gestützte Analysetools, die in Zukunft nicht nur erkennen könnten, ob geräumt werden muss, sondern auch, um welche Art von Granate oder Mine es sich handelt, wie stark sie beschädigt ist, oder ob sie noch detonieren kann. Von rund 20 Prozent der Munitionsaltlasten konnten Krohmann und sein Team bereits 3D-Bilder erstellen, mit denen sie ihre KI-Modelle trainieren. Die Bilder zeigen auch, wie sich die Munition verändert, wenn sie korrodiert oder bereits Teile fehlen. Krohmann: »Je mehr Daten wir haben, desto treffsicherer werden wir – und desto schneller können wir unsere Meere von den giftigen und gefährlichen Altlasten befreien.«
Fraunhofer-Gesellschaft
