Tauchroboter erforscht Leben unter dem Eis

Wie das Ökosystem unter dem Eisdeckel des Arktischen Ozeans funktioniert, ist fast unbekannt. Dabei verändert der Klimawandel dieses Gebiet schneller als jedes andere auf der Welt. Mit einem neuen Hybrid-U-Boot können Forscher diese Welt nun erkunden.

«Wir konnten zum ersten Mal sehen, wie sich unter dem Eis eine Nahrungskette entwickelt, von Eisalgen über Ruderfusskrebse und Rippenquallen hin zu den Pfeilwürmern», erzählt die Meeresbiologin Antje Boetius vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung. Auch ein halbes Jahr nach ihrer Forschungsfahrt ist sie hingerissen von den Bildern, die der neue Tauchroboter «Nereid Under Ice» in den Kontrollraum an Bord des Schiffs «Polarstern» geliefert hat.

«Wir kamen Anfang Juli in unser Arbeitsgebiet, als das Eis noch recht dick war und die Schmelze gerade erst begonnen hatte», so Boetius weiter, «aber zu unserer Überraschung sahen wir da schon die ersten Anzeichen für eine Algenblüte unter dem Eis.» Die einzelligen Algen sammelten sich unterhalb der Eisschollen – dort, wo Schmelzwasser linsenförmige Bereiche bildet, so genannte Schmelzlinsen. Dies geschieht, weil Schmelzwasser leichter ist als Meerwasser: Es bleibt oben und vermischt sich nicht mit dem Meerwasser.

In diesen Bereichen vermehrten sich die Algen so gut, dass schliesslich eine dickflüssige, grüne Suppe entstand. Die lockte zunächst «Vegetarier» an, die Ruderfusskrebse – und dann die räuberischen Rippenquallen und Pfeilwürmer: Eine komplexe Nahrungskette war entstanden.

Feinarbeit statt Brachiallösung

Antje Boetius und Chris Germen auf dem Eis, mit roten Schneeanzügen. Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Meeresbiologin Antje Boetius und ihr Kollege Chris German während ihrer Forschungsreise. AWI

Normalerweise bekommen Polarforscher von diesem Geschehen nichts mit, denn klassische, ferngesteuerte Tauchroboter (Remotely Operated Vehicle, kurz: ROV) lassen sich wegen des dicken Kabels zur Energieversorgung nur unterhalb des Schiffs einsetzen. Im Eis funktioniert das nicht.

Eine Alternative wären autonome Unterwasserroboter (AUV). Diese müssen sich aber aus Sicherheitsgründen von der zerklüfteten Unterseite der Eisschollen fernhalten – ihr Bewegungs-Programm ist für den komplexen Bereich direkt unterhalb des Eises nicht genau genug. Bislang blieb zur Probennahme nur eine brachiale Methode, nämlich mit dem Eisbrecher ins Eis zu fahren, es zu zerbrechen und sofort Wasserproben ziehen. Doch dabei zerstören die Forscher die kleinteiligen Ökosysteme in den Schmelzwasserlinsen, die sie eigentlich untersuchen wollen.

Als Hybrid löst der Roboter Nereid dieses Problem nun. Anders als ein klassischer ROV arbeitet der kleinwagengrosse, knallrote Roboter mit Batterien. Die Verbindung zum Schiff hält er über ein dünnes Glasfaserkabel, das die Bilder einer hochauflösenden Kamera in Echtzeit in den Kontrollraum liefert und von dort die Steuerbefehle empfängt. «Wir können Nereid in einem Radius von mehreren Dutzend Kilometern vom Schiff entfernt arbeiten lassen», erklärt Chris German, vom Woods-Hole-Institut für Meeresforschung in Massachusetts, der den Roboter als Ozeanograph mitentwickelt hat.

Komplexes Wechselspiel entdeckt

Nereid kann bis in 2000 Meter Tiefe tauchen, aber die Testfahrten in der Arktis gingen nicht über 50 Meter hinaus. Dafür fuhr er bis zu einen Kilometer weit von der «Polarstern» weg. Bei drei der vier Fahrten bewies Nereid sogar, dass er auch autonom funktioniert – dann nämlich, als das Eis das dünne Kabel durchscheuerte:

Der Eisbrecher im Polarmeer Bild in Lightbox öffnen.

Bildlegende: Der Forschungseisbrecher Polarstern arbeitete im Sommer 2014 im arktischen Meereis. AWI, S. Arndt

«Bei drei von vier Tauchfahrten ist uns das Glasfaserkabel gebrochen», erzählt Chris German und lächelt trotzdem ganz entspannt. Denn Nereid hat noch eine andere Seite. «Erhält der Roboter eine gewisse Zeit lang keine Informationen mehr vom Mutterschiff, schaltet er seine künstliche Intelligenz ein», erklärt der Wissenschaftler. Dann bricht Nereid die Mission ab, taucht in eine sichere Tiefe von 30 Metern und sendet unablässig sein Identifikationssignal. Hat das Mutterschiff das Signal geortet, fährt es zu ihm hin, um den Roboter dann sicher an die Oberfläche zu dirigieren.

Trotz der Pannen war die wissenschaftliche Ausbeute der Testfahrten beachtlich. Unter anderem zeigten die Sensoren Nereids, dass unter dem Eis ein komplexes Wechselspiel zwischen Eis, Sonneneinstrahlung und Algen wirkt. Wo Algen wachsen, ist das Eis dunkler. Es nimmt dort mehr Sonnenenergie auf, wird wärmer und schmilzt schneller.

Meereis dünner als erwartet

Genau solche Informationen könnten für Klimaforscher interessant sein, die sich mit dem Schwinden des Meereises beschäftigen, erklärt Antje Boetius: «Die Simulationen, die den Eisabbau in der Arktis vorhersagen, funktionieren nicht, weil genau solche kleinskaligen Prozesse fehlen, wie wir sie in den Schmelzwasserlinsen beobachten.» Solche Daten könnte Nereid künftig liefern, so dass die Modelle besser widerspiegeln, was passiert.

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Das Thema im Radio

Einen ausführlichen Bericht über den Tauchroboter «Nereid» und die Ergebnisse der Forschungsreise sendet das «Wissenschaftsmagazin» am 28. Februar ab 12:40 Uhr auf Radio SRF 2 Kultur.

Wie weit Wirklichkeit und Simulation auseinanderliegen, zeigte sich schon in dem für die Testfahrt ausgewählten Seegebiet 200 Kilometer nördlich von Grönland: Vor der Forschungsfahrt nahmen die Wissenschaftler an, dass dort die Veränderungen durch den Klimawandel langsamer ablaufen als anderswo. Sie hatten durchschnittlich vier Meter dickes Eis erwartet. Tatsächlich waren es meist weniger als zwei Meter.

Die Eisschmelze lief also auch dort sehr viel schneller, als angenommen – und das könnte unter anderem mit den Algen zusammenhängen, die sich ihren Lebensraum sozusagen selbst ins Eis schmelzen.

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Die Aufnahmen des Eisroboters

2:37 min, vom 10.2.2015