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Messtechnik für Hafenschlick

In Häfen mit hohem Sedimenteintrag kann die schiffbare Tiefe mit der derzeitigen Technik zur Echolotpeilung nicht präzise bestimmt werden. Die Kieler Geophysik nimmt sich in einem Verbundprojekt dieses Problems mit verfeinerter Messtechnik und künstlicher Intelligenz an.

Frachtschiffe und Schwimmbagger
© Nino Ohle / HPA

Damit Frachtschiffe in den Hafenbecken nicht stecken bleiben, entfernen schwimmende Bagger – wie hier im Hamburg Hafen – regel­mäßig Sedimente, die sich am Grund ablagern.

Flüssigschlick, wie er in Häfen, breiten Flussmündungen oder küstennahen Gewässern häufig vorkommt, sieht im Echolot ähnlich aus wie fester Boden. Und das unabhängig davon, wie konzentriert die Sedimentsuspension ist. Schwarzes Wasser, Flüssigschlick oder eben fester Boden – mit der derzeitigen Echolotmessung ist das nicht eindeutig zu unterscheiden. Diese Unterschiede sind aber wichtig, um zu entscheiden, welche Schiffe in den Hafen einfahren können und ob das Hafenbecken ausgebaggert werden muss.

»Die Hafenverwaltung muss regelmäßig die Tiefe der einzelnen Hafenbecken messen. Wenn die garantierte Wassertiefe droht, nicht mehr erfüllt zu sein, muss gebaggert werden«, erklärt Professor Sebastian Krastel vom Institut für Geowissenschaften. Die genaue Charakterisierung der Bodensedimente trage dazu bei, effizienter und gezielter zu baggern. Das habe auch direkte Auswirkungen auf Umwelt und Klima, da weniger Sediment – zum Teil rund 130 Kilometer weg vom Hafen – abtransportiert werden müsse und die Dichte des Baggerguts erhöht werden könne.

Um ein Bild vom Untergrund zu bekommen, werden in solchen Gebieten derzeit Vermessungsecholote verwendet. Diese ergeben frequenzabhängig unterschiedliche Reflexionstiefen. Aus Sicherheitsgründen wird als nautisch sicherer Horizont der erste messbare Horizont ausgewählt. »Man weiß aber nicht, ob das Sediment darunter bereits so stark verdichtet ist, dass es wirklich nötig wäre zu baggern«, sagt Krastel. Möglicherweise ist das Wasser nur trüber und hat ansonsten keine anderen physikalischen Eigenschaften, ist also nicht zähflüssiger.

Krastel leitet die Arbeitsgruppe Geophysik und Hydroakustik und forscht innerhalb des meereswissenschaftlichen Forschungsschwerpunkts Kiel Marine Science an der Universität Kiel insbesondere zu submarinen Naturgefahren. »Wir nutzen und entwickeln akustische Methoden, um den Meeresboden besser klassifizieren zu können. Das machen wir im tiefen Wasser, etwa um die Gefahr von submarinen Hangrutschungen abzuschätzen, haben aber auch viele Methoden für das Flachwasser entwickelt.«

Aufgrund dieser Expertise sind Krastel und sein Team Partner innerhalb des Verbundprojekts Akustischer Horizont (AHoi). Ziel ist, ein innovatives akustisches Messsystem zu entwickeln, das die Gewässersohle in Häfen (und anderen Wasserstraßen) insbesondere hinsichtlich ihrer Durchfahrbarkeit effizient erfasst. Vor allem geht es darum, das Sediment zu klassifizieren, also zu ermitteln, wie stark es verdichtet ist, um die Durchfahrbarkeit beurteilen zu können. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur mit insgesamt knapp 1,8 Millionen Euro gefördert und vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik koordiniert. Beteiligt sind neben der Uni Kiel auch die Hamburg Port Authority und General Acoustics aus Kiel.

»Die neue Messtechnik wird wieder ein schallbasiertes Echolot sein«, erklärt Dr. Philipp Held aus der Kieler Arbeitsgruppe. Um die unterschiedliche Verdichtung des Sediments berücksichtigen zu können, soll Schall unterschiedlicher Frequenzen verwendet werden. »Bei diesen Schlicken findet man ein frequenzabhängiges Verhalten. Wir nutzen zunächst drei verschiedene Frequenzen und hoffen, aus den Signalen der verschiedenen Frequenzen die geologischen Eigenschaften und die Verhaltensmerkmale des Schlicks ableiten zu können«, so Held. Die akustischen Eigenschaften des Schlicks sollen in einem Laborexperiment genauer untersucht werden. Dazu wird in einem Testbecken Hafenschlick in unterschiedlichen Konzentrationen mit verschiedenen akustischen Frequenzen beschallt. Ziel ist, die akustischen Parameter von Schlick in Abhängigkeit der Frequenz zu bestimmen. Relevant sind hier vor allem die Dichte und die Viskosität, also Zähigkeit, des Sediments. Neben der Messung im kleinen Maßstab sind auch Versuchsreihen im Hamburger Hafen geplant. Held: »Wenn wir das neue System haben, werden wir Messungen im Hafen machen und parallel dazu Schlick herausholen und im Labor dessen Eigenschaften untersuchen.«

Ausgehend von diesen Messreihen sollen selbstlernende Algorithmen entwickelt werden, die automatisch die vermessenen Gewässerböden in Sedimentklassen einordnen und ihre Durchfahrbarkeit direkt beurteilen.

Autorin: Kerstin Nees

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