Forschung bedeutet oft Extrembedingungen zu meistern, um an Daten zu gelangen. Ein solcher Extrembereich ist auch die Erforschung der Meere. Messsonden, die in größere Tiefen vordringen, müssen neben Temperaturunterschieden auch dem hohen Druck standhalten und dabei zuverlässig funktionieren. Bisher waren an Kabel oder Trossen verankerte Messgeräte zur Erfassung von Messdaten üblich. Diese Technik gilt als erprobt und zuverlässig. Sie hat jedoch den Nachteil, dass man erst nachdem man die Geräte geborgen hat, an die Daten kommt. Ein anderes Konzept, in Verbindung mit modernen Kleinantrieben, erlaubt nun das völlig selbstständige Arbeiten frei tauchender Sonden und eine quasi Online-Übertragung der Daten.
Im Rahmen des internationalen Argo-Projektes zur Erforschung der Weltmeere werden bislang rund 2500 frei in der Strömung schwimmende Messsonden (Floats) betrieben. In der Endstufe des Forschungsprojektes sollen es 3000 ständig einsatzbereite Sonden sein. Gemessen werden, als Hauptparameter von allen Sonden, Wassertemperatur und Salzgehalt in unterschiedlichen Tiefen. Weitere Messwerte, wie Wassertrübung, Planktongehalt usw. können individuell zusätzlich nachgerüstet werden. Für Deutschland übernimmt die Optimare Sensorsysteme AG aus Bremerhaven den Bau und die Betreuung der beigesteuerten "NEMO"-Floats-Sonden. Um die Sonden möglichst universell nutzen zu können, wurden sie als selbstständig operierende Einheiten konzipiert. So treiben sie frei in der Strömung, können unter Eis ebenso Daten sammeln wie in verschiedenen, frei programmierbaren Tiefen. Um die Messdaten per Satellit zu übermitteln, tauchen sie dann in vorher festgelegten Zeitabständen auf. Für die nötige zuverlässige und absolut wartungsfreie Tiefenregulierung arbeitet Optimare mit dem Kleinantriebshersteller FAULHABER zusammen. So entstand ein robustes, kompaktes System zur exakten Tiefenregulierung der Sonden.
Aussetzen des ersten NEMO-Floats mit einer maximalen Tauchtiefe von 1000 m Salzgehalt, Temperatur und Druck werden aufgezeichnet
NEMO-Floats werden für das Aussetzen vorbereitet (Die aktuelle Version hat eine max. Tauchtiefe von 2000 m)
Ein biologisches Prinzip technisch genutzt Schon seit Urzeiten verwenden viele Fischarten eine Schwimmblase, um ihren Auftrieb im Wasser zu regulieren. So können sie durch einfache Dichteregulierung ohne weiteren Energieverbrauch im Wasser schweben. Exakt diese Eigenschaft ist für eine möglichst lange Betriebszeit auch bei den Messbojen gefragt. Ein mit Öl gefüllter Hydraulikkolben bildet die Hauptauftriebsquelle. Da sich Öl fast nicht komprimieren lässt ist dieser Auftrieb weitgehend unabhängig von der Tiefe. Um die Sonde nun gezielt in der Tauchtiefe zu steuern, wird über den Kolben die Ölmenge in einer Schwimmblase reguliert. Je nachdem wie stark die Blase gefüllt wird, ändert sich die Gesamtdichte der Sonde, sie taucht ab, schwebt oder steigt auf. Als Regulierelement dient ein Steuerungskolben, der den Gasdruck variiert. Statt Muskeln übernimmt im Fall der Sonde ein DC-Kleinmotor mit rund 26 W Leistung den Antrieb des Kolbens. Über ein direkt angeflanschtes Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1526 : 1 und nachgeschaltetem Spindelantrieb reicht das Drehmoment aus, um auch in 2000 m Tiefe die Funktion sicherzustellen. Der Motor des Antriebsspezialisten aus Schönaich bietet dafür schon von Haus aus beste Voraussetzungen.
DC-Antrieb immer noch aktuell Timo Witte, Projektleiter Entwicklung der NEMO-Floats, sagt dazu: "Für unseren Anwendungsfall sind die Eigenschaften des bürstenkommutierten DC-Motors ideal. Er läuft schon bei geringsten Spannungen an und die Ansteuerung ist sehr einfach als Ein-/Aus-Schalter in die Bordelektronik zu integrieren". Die hohe Zuverlässigkeit des Standardmotors bei kompakten Abmessungen mit 35 mm Durchmesser bei 57 mm Länge und hoher Abgabeleistung spricht ebenfalls für sich. Der für einen DC-Motor hohe Wirkungsgrad von rund 80 % schont die Energiereserven. Timo Witte nennt noch einen weiteren Aspekt bei der Wahl des Antriebs: "Besonders wichtig für die frei tauchende Sonde ist daneben der störungsfreie Anlauf auch nach langen Ruhepausen. So ist die Sonde für garantierte 3 Jahre Betriebszeit oder bis zu 150 Tauchzyklen ausgelegt, Betriebszeiten bis zu 5 Jahren können aber durchaus erreicht werden. Über diese Zeitspanne muss der Motor zuverlässig arbeiten." Da die eigentliche Einschaltdauer für die Tiefeneinstellung nur kurz ist, spielt Bürstenverschleiß keine Rolle. Der Vorteil der einfachen, zuverlässigen Ansteuerung dagegen kommt voll zum Tragen. Temperaturschwankungen von über 25 °C in den Tropen bis zu leichten Minusgraden im Polargebiet oder dauerhafte etwa 4 °C in der Tiefsee machen dem Standardmotor nichts aus. Das passende Reduziergetriebe entspricht bis auf eine modifizierte Schmierfettfüllung ebenfalls den Standardgetrieben aus dem Katalog. Moderne Kleinantriebe bieten heute fast universelle Einsatzmöglichkeiten. In vielen Fällen reicht schon ein Standardantrieb aus; für höhere Anforderungen lassen sich optimal abgestimmte Antriebe nach Maß problemlos fertigen.
