Summary. 97. Hauptversammlung der STG November 2002, Hamburg

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1 97. Hauptversammlung der STG November 2002, Hamburg MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen MODUS A Heavy Load ROV for Deployment and Recovery of Deepwater Research Network Stations Prof. Dr.-Ing. Günther Clauss, Dipl.-Ing. Sven Hoog Technische Universität Berlin, Bereich Schiffs- und Meerestechnik; Prof. Dr.-Ing. Hans Gerber, Technische Fachhochschule Berlin - FB VIII Abb. 1: GEOSTAR Hauptkomponenten: Schiff mit Winde und A-Rahmen, Multifunktionskabel, Geräteträger MODUS und Bodenstation. GEOSTAR main components: Vessel with winch and A-frame, multifunctional umbilical, MODUS and Bottom Station Summary This paper presents MODUS (MObile Docker for Underwater Sciences), a specialized ROV for deployment, recovery and servicing of heavy sea bottom stations with payloads up to 30 kn, e.g. scientific observatories for deepwater application (depth rated 4000 m). Developed, built and tested as part of the EC funded project GEOSTAR (GEophysical and Oceanographic STation for Abyssal Research), the new ROV-system includes the operating vessel with winch and umbilical, and the versatile space shuttle MODUS for handling the bottom station with modularized payload. The paper focuses on aspects of the development as well as open water trials and missions. Results from hydrodynamic analyses are presented to illustrate design studies for minimized structure drag, and therefore minimized power requirements for thruster driven horizontal movements. Motion analyses comprise the dynamic behavior of the ship and the entire deeply submerged system considering hydroelastic effects. Due to the direct coupling, vertical excitations of the ship in the prevailing sea are substantially transmitted along the submerged umbilical to the ROV, causing potentially harmful slack cable situations. Results from numerical simulations illustrate the dynamic response of the

2 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 2 system due to ship oscillations in random seas and the associated downtime of MODUS operations. The paper presents the latest technological and scientific applications of MODUS during its first cruises: Reaching depths of 3700 m within the EC funded projects GEOSTAR and BIODEEP (BIOtechnology from the DEEP) in the Mediterranean Sea demonstrates its high availability with reliable performance and low costs. 1 Einführung Die Eroberung der Tiefsee des Inner Space wird technologisch maßgeblich im Zusammenhang mit der Exploration und Exploitation neuer Offshore-Vorkommen durch die Öl- und Gasindustrie vorangetrieben. Eine Schlüsselrolle fällt dabei den so genannten Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) zu, wozu neben den Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) auch die Remotely Operated Vehicles (ROVs) gehören. Letztere traten vor ca. 25 Jahren ihren Siegeszug in die Tiefe der Meere an und haben sich seitdem zu einer zuverlässigen Standard- Technologie für alle Bereiche der Offshore- und Meeresforschungstechnik entwickelt [1]. Zu den Hauptaufgaben der Tiefseetechnik gehört die Bereitstellung zuverlässiger Interventionssysteme zur Unterstützung dieser z.t. komplexen Aufgabengebiete. Zahlreiche Firmen der Zulieferindustrie versorgen die jeweiligen Fahrzeugtypen mit geeigneten, an die Anforderungen angepassten Beobachtungs-, Mess-, Beprobungs- und Manipulationssystemen zur Arbeit in der Tiefsee. Begleitet wird diese Entwicklung durch zahlreiche theoretische Untersuchungen sowie Modell- und Großversuche zu Fragen der Statik und Dynamik kabelgebundener Systeme. Vertikal gebundene oder geschleppte Systeme werden durch hydroelastische Effekte beeinflusst, die den sicheren und zuverlässigen Betrieb stören und somit den Einsatzzweck gefährden können. Die Gesamtsysteme bestehen dabei zumeist aus einer Einsatzplattform (Schiff, Kranbarge oder Halbtaucher), einem Multifunktions- oder Zugkabel und dem angehängten Geräteträger (ROV, Schleppfisch, Probenahmerosette, CTD etc.) (Abb. 1). Das Kabel, das bei Ausführung als Multifunktionskabel auch Umbilical genannt wird, verbindet also das Einsatzfahrzeug mit dem Sensorträger und erlaubt somit den theoretisch zeitlich unbegrenzten Einsatz in großen Tiefen, wodurch zeit- (und somit kosten-) aufwendige Aussetz- und Einholvorgänge auf eine Mindestzahl reduziert werden können. Neben der zeitlichen Unbegrenztheit der Taucheinsätze stellen die Aspekte zuverlässige Fernsteuerbarkeit der Abfrage und Steuerung von Sensoren und Funktionen sowie Absetzen und Bergen relativ großer Lasten zum und vom Meeresboden die Hauptvorteile von kabelgebundenen Systemen dar. Hier liegen auch die Stärken von MODUS, der als flexibler Schwerlast-Geräteträger (bis 30 kn Traglast) für die Tiefsee (bis 4000 m Tauchtiefe) mit seiner einfach zu bedienenden elektromechanischen Schnittstelle den Zugang zu einer Vielzahl möglicher Einsatzgebiete eröffnet und dabei volle Kontrolle durch den Operator an Bord des Einsatzfahrzeugs erlaubt. Als Hauptproblem der Dynamik des Systems erweist sich die direkte Kopplung der Tauch- und Stampfbewegungen des Einsatzfahrzeugs mit dem am Kabel hängenden Geräteträger. Durch die Übertragung der durch die Wellen induzierten Bewegungen des Einsatzfahrzeugs auf das Umbilical werden vertikale Oszillationen des Geräteträgers induziert, die dessen dynamisches Verhalten und die Stabilität im Einsatz negativ beeinflussen können. Die dynamische Charakteristik, u.a. die Bewegungs- und Beschleunigungsamplituden des Systems, hängt dabei entscheidend von den geometrischen Eigenschaften des Geräteträgers sowie den operativen Bedingungen ab. Infolge hoher Trägheits- und Widerstandskräfte können die getauchten Systemkomponenten bei ungünstiger Bewegungscharakteristik den vertikalen Oszillationen des Kabels nicht folgen, was zu den gefürchteten slack-cable - Situationen führen kann [2, 3, 4]. Während dieser kurzen Momente reduziert sich die Kabellängsspannung auf null und die Bewegungen des Einsatzfahrzeugs und des getauchten Systems sind entkoppelt. Die im nächsten Moment abrupt einsetzende Straffung des Kabels führt anschließend zu gefährlich hohen Kraftspitzen (snap loads) am oberen Kabelaufhängepunkt und störenden Taumelbewegungen des Geräteträgers, wobei irreguläre Oszillationen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Phasen auftreten. Simulationen im Zeitbereich, die nichtlineare Aspekte der Kabeldynamik sowie Queranströmung und irregulären Seegang berücksichtigen, bestätigen diese Beobachtungen und erlauben Rückschlüsse auf zu erwartende Systemausfallzeiten (downtime) [5, 6, 7]. Die Entwicklung des Tiefsee-Shuttle MODUS begann Anfang der 1990er Jahre mit der von der EU geförderten Machbarkeitsstudie DESIBEL [8], in der vier Interventionskonzepte für die Tiefsee untersucht wurden, die einfach zu bedienen sein sollten und dennoch eine Traglast von bis zu 30 kn haben sollten. Das im EU-Projekt GEOSTAR [9] genutzte

3 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 3 Konzept (Abb. 1) basiert auf dieser Studie und erlaubt das sichere, zuverlässige und gezielte Absetzen und Bergen schwerer Stationen auf dem Tiefseeboden, ferner Langzeitmessungen in der Tiefsee durch Multifunktionssensorstationen. Mit einem einzigen Tiefsee-Shuttle lassen sich bei gleicher Schnittstelle unterschiedliche Tiefseestationen, sogar gesamte Messnetze betreuen. 2 GEOSTAR-Systembeschreibung Die Spezifikation des GEOSTAR Prototyps entspricht den Anforderungen, die durch die DESIBEL- Studie definiert wurden. Folgende technisch/wissenschaftliche Teilaufgaben soll das Gesamtsystem erfüllen können und während einer Demonstrations-Mission unter Beweis stellen: sicheres Absetzen einer großen und schweren Multi-Sensor-Station (eines sog. benthischen Labors), auf einer vorher genau bestimmten Position kontinuierliche Messungen seismischer und magnetischer Parameter kontinuierliche Messungen physikalischer und geochemischer Parameter des Wasserkörpers, wie z.b. 3D Strömungsprofile der Grenzschicht zum Seeboden sicheres Auffinden und Bergen der Bodenstation nach 3-12 Monaten [10, 11] Zur Erfüllung dieser Teilaufgaben wurden folgende Subsysteme entwickelt und gebaut: das für den exakten Absetz- und Bergungsvorgang der Station benötigte Schwerlast Tiefsee-Shuttle MODUS die Tiefseebodenstation (Benthische Station - BS) zur autonomen Langzeit-Erfassung geophysikalischer und ozeanographischer Daten mit ereignisgesteuertem Data Acquisition and Control System (DACS) und autonomer Energieversorgung Sensorpakete zur Langzeiterfassung geophysikalischer, geochemischer und ozeanographischer Umweltparameter der Tiefsee sowie das innovative und redundante Unterwasserkommunikationssystem zur (nahezu) Echtzeit- Kontrolle der Station, basierend auf flexiblen Speicherbausteinen (pop-up Bojen) sowie a- kustischer Kommunikation durch den Wasserkörper zu einer fest verankerten Boje, die Landkontakt über Inmarsat erlaubt. Der Vorteil des modularen Konzeptes von MODUS wird besonders durch folgende Liste der Nutzlastkomponenten der ersten beiden Nutzerprojekte deutlich, GEOSTAR 2 und BIODEEP. Hier wurden durch Adaptionen und modulare Erweiterungen von MODUS völlig unterschiedliche Aufgaben in Wassertiefen bis zu 3700 m erfüllt (Tabelle 1). 2.1 Das Geräteträgerkonzept Die Aussetz- und Bergungsprozedur beginnt mit einer akustischen Profilmessung des Meeresgrundes durch das Einsatzfahrzeug (Topographie, Tragfähigkeit). Nach Festlegung eines geeigneten Landeplatzes (oder nach Ortung und Auffinden der Bodenstation) beginnt das Fieren des Geräteträgers. Diese Operation kann für Windengeschwindigkeiten von 0,6-1,0 m/s und eine Einsatztiefe von 4000 m bis zu zwei Stunden dauern. Im Nahbereich des Bodens bestimmt dann das Sonar am Bug von MODUS die einzuschlagende Richtung, wobei Reflektionen vom Boden oder von größeren Gegenständen (wie z. B. der Bodenstation) über die Telemetrie an Deck zum Operator übermittelt werden. Das vertikale Verfahren sowie das Aufsetzen auf dem Boden (oder Ankoppeln an die Bodenstation) erfolgt durch die Winde an Deck des Einsatzfahrzeugs. Horizontale Fahrten werden durch zwei Paare von Düsenpropellern mit bürstenlosem Gleichstrommotorantrieb unterstützt. Einen visuellen Eindruck von den Vorgängen in 4000 m Tiefe erhält der Operator durch bis zu vier Videokameras in Kombination mit starken Leuchten. Nach Absetzen der Station (oder beim Ankoppeln) wird der passive Kupplungszapfen (docking pin), der die Spitze der pyramidenförmigen Bodenstation darstellt, mit Hilfe eines trichterförmigen Konus im Zentrum von MODUS durch den Rahmen geleitet, so dass ein ungewolltes Einfädeln und Verfangen verhindert wird. Den oberen Abschluss des Konus bildet der aktive Kupplungsmechanismus mit seinen vorgespannten Klauen (latch device), in den der docking pin einrastet (Abb. 2). Das erfolgreiche An- und Abkoppeln wird dem Operator durch Näherungsschalter auf seinem Kontrollmonitor signalisiert. Erst jetzt kann dem Windenfahrer das Kommando zum Einholen des Fangs gegeben werden.

4 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 4 Tabelle 1: Hauptabmessungen und eigenschaften von MODUS und zwei beispielhaften Sensormodulen Main characteristics of MODUS and Sensor Moduls Ziel / Zweck MODUS Wissenschaftliche Nutzlastmodule Tiefseeversion GEOSTAR 2 Multisensorstation BIODEEP SCIPACK Vielzweckeinsatz / zahlreiche Tauchgänge Autonome Sensorstation für mehrere multidisziplinäre Langzeiteinsätze Umbilical gebundener Sensor und Probenahmeeinheit zum Eintauchen in Tiefseebecken Gewicht in Luft [kn] 10,9 25,42 3,50 Gewicht in Wasser [kn] 7,35 14,16 2,00 Gesamtlänge [mm] Gesamtbreite [mm] Gesamthöhe [mm] Material Aluminium, rostfreier Stahl, Aluminium, rostfreier Stahl, Titan (grade 5) Titan (grade 5) Maximale Tauchtiefe [m] Schub - horizontal [N] 4x Schub - vertikal [N] 2x Positionsausrüstung und/oder wissenschaftliche Nutzlast Kommunikationssysteme 360 Sonar, 325 khz Altimeter, LF Transponder, 4x Scheinwerfer, TV-Kameras (2x Farbe, 2x b/w), analog+elektr. Kompass, x-y Lagesensor, Drucksensor Online Datenübertragung während der Einsätze; 3x F/O Telemetrie, single mode Seismometer, Magnetometer (skal., vekt.), 300 khz ADCP, CTD, Transmissiometer, Wasserproben, elektro-chemisches Paket, Hydrophon, Schwerkraftmesser, Single pt. Strömungsmesser, Altimeter Datenspeicher, redundante Kommunikationskanäle, nahezu Echtzeitkomm. über verankerte Boje und Satelliteninfrastruktur Aluminium, rostfreier Stahl, Titan (grade 5) Wasserprobenahmerosette (verschiedene Flaschenvolumen), CTD, Farbkamera, Scheinwerfer, Altimeter, Kompass Kommunikation und Kontrolle über twisted pair Datenverbindung im Umbilical 2.2 MODUS - ein vielseitiges Inner Space Shuttle Ziel der Entwicklung von MODUS ist es, ein neues System für Tiefseeinterventionen zu konzipieren, das durch Flexibilität und Vielseitigkeit den stetig wachsenden Markt zur wissenschaftlichen Erforschung der tiefen Meere (bis 4000 m) effektiv und kostengünstig bedienen kann. Das modulare Konzept von MODUS zielt demnach auch besonders auf hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Erfordernisse, definiert durch die Nutzergemeinschaft. Zu den Kernaufgaben von MODUS gehört zunächst das Absetzen und Bergen großer und schwerer Bodenstationen (wie z.b. im Projekt GEOSTAR 2) aber auch die exakte und videoüberwachte Probenahme mit Rosetten und CTD- (Conductivity-Temperature-Depth) Sensoren, wie z.b. im EU-Projekt BIODEEP (BIOtechnology from the DEEP) erforderlich. Die konstante Versorgungsspannung von 3x3000 VAC, die vom Schiff über das Multifunktionskabel zum Geräteträger gelegt ist, wird durch einen druckkompensierten Transformator auf die jeweilige Verbraucherspannung an Bord von MODUS reduziert, so dass nahezu alle gängigen Tiefseesysteme und Sensoren angeschlossen und betrieben werden können. Auch die glasfaseroptische Telemetrieeinheit bietet mit seiner single mode Technologie und den 12 Datenkanälen (RS232/RS422/TTL/Video) maximale Flexibilität für Anschluss und bidirektionale Kommunikation zahlreicher Subsysteme. Abb. 2 verdeutlicht das modulare Entwurfskonzept von MODUS: Zum Arbeiten mit einer Bodenstation wird der im Zentrum von MODUS befestigte Konus (docking cone) mit einem Öffnungsdurchmesser von 2 m benötigt (Abb. 2-1). Der Konus unterstützt das gleitende Ein- und Ausfädeln des docking pin in den oberen Konusbereich, wo die Klauenkupplung (latch device) (Abb. 2-2) sitzt. Zur Dämpfung von Stößen beim Aufsetzen auf den docking pin sowie zur Reduzierung der Reibung befindet sich an der Konusinnenwand ein leicht austauschbarer und abriebfester 6 mm starker Kunststoffmantel, wie er auch bei Schüttgutrutschen genutzt wird. Der Konus ist zudem nicht starr mit der äußeren Rahmenstruktur verbunden, sondern stützt sich über Gummipuffer an diesem ab, so dass starke Stöße durch Kollisionen mit dem Einsatzfahrzeug vom Rahmen abgefangen werden, ohne den wichtigen Fangmechanismus im Zentrum zu gefährden. Das latch device befindet sich in einer Art Käfig am oberen offenen Ende des Konus. Hier wird mit Hilfe eines vom Einsatzfahrzeug gesteuerten Linearaktuators der Klauenmechanismus geöffnet und gegen eine Feder vorgespannt. Beim Einfahren des docking pin schnappt die Falle selbsttätig zu und die Klauen umschließen den pin die Station kann geborgen werden.

5 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 5 Abb. 2: MODUS als modulares Konzept: (1) Andockkonus mit Verriegelungseinheit zum Einfangen der Stationen, (2) Schutzgehäuse der Kabelterminierung, (3) offener Rahmen (Aluminium) als Träger der Sensoren und Hilfsaggregate (Motoren, Sonar, Altimeter, Kameras und Scheinwerfer, Tiefseetrafo, Elektronikboxen). Modular design of MODUS: (1) docking cone with latch device for mating operations, (2) protective housing for umbilical termination, (3) open frame (aluminum) with equipment (thrusters, sonar, altimeter, cameras and spotlights, power supply, control system) Der alles umschließende Aluminiumrahmen (Abb. 2-3) dient mit seinen am Umfang angebrachten Fenderprofilen der flexiblen Aufnahme und dem Schutz der teuren und sensiblen Sensoren und anderer Komponenten wie Elektronikboxen, Motoren, Sonar, Altimeter, Kameras, Scheinwerfer, Tiefseetrafo etc. Die offene Bauart des Rahmens erlaubt zudem den einfachen und schnellen Zugang zu allen Komponenten und reduziert somit die Zeiten für Neuanordnung, Wartung und Austausch der o.g. Teile. Hierdurch kann besonders effektiv auf geänderte Zielsetzungen der einzelnen Tauchgänge einer Mission ohne Hilfestellung von Außen reagiert werden, wie z. B. im Projekt BIODEEP gefordert. 3 Strömungsanalyse und hydrodynamische Optimierung Die Identifikation kritischer Entwurfsaspekte bezüglich ihrer Auswirkungen auf potentielle Gefahrensituationen während Tiefwassereinsätzen basiert in der Regel auf dem Erfahrungsschatz des einzelnen Ingenieurs oder auf empirischen Ansätzen, unterstützt durch numerische Modellierungsverfahren. MODUS ist das Ergebnis einer iterativen Suche nach einem optimalen Entwurf, wobei 3D CAD (Computer Aided Design) und 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) mit hydroelastischen Fragestellungen verknüpft wurden. Die hervorragende Übereinstimmung der CFD- Ergebnisse mit Validierungsexperimenten konnte bereits 1998 im Projekt GEOSTAR 1 für den Prototyp der Flachwasserversion des MODUS durch Widerstands-, und Mobilitätsversuche im großen Umlauftank der Technischen Universität Berlin (UT2 der ZE VWS) bewiesen werden [12]. 3.1 Hydrodynamische Analyse Zu den Hauptvorteilen eines kabelgebundenen Systems wie MODUS gehört die hohe Traglastkapazität, sowie die lange ununterbrochene Tauchzeit in großen Wassertiefen. Allerdings ist die am Geräteträger zur Verfügung stehende Leistung durch die Kapazität des Umbilicals beschränkt. Es ist daher sinnvoll, den Gesamtströmungswiderstand des getauchten Systems aus Kabel und Geräteträger zu minimieren, um den für den Vortrieb nötigen Schub dauerhaft durch elektrisch angetriebene Düsenpropeller aufbringen zu können. Obwohl der Geräteträger nur einen kleinen Beitrag zum Gesamtwiderstand beisteuert, verspricht nur hier eine Optimierung Erfolg, ist doch der Beitrag durch das Kabel kaum zu reduzieren. Im Zuge der hydrodynamischen Analyse von MODUS wurde die CFD-Methode genutzt, um den Strukturwiderstand für mehrere Entwurfsvarianten und unterschiedliche Fahrtrichtungen zu minieren. Die Bewertung der Ergebnisse wird durch farbige Darstellungen der Strömungsgebiete erleichtert und erlaubt die Interpretation relevanter Phänomene.

6 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 6 Abb. 3: Kostengünstige numerische Modellierung von Entwurfsalternativen mit CFD: Vom Ausgangsentwurf (Flachwasservariante) zum Schlussentwurf für Tiefwasser mit signifikanter Reduzierung des Strömungswiderstandes. Die Daten zeigen Ergebnisse für horizontale Strömung bei v = 0,4 m/s. (CFD-Software: Fluent [13]). Cost effective numerical modeling of design alternatives with CFD: From initial shallow water design to enhanced deepwater design with significant drag reductions. Data for horizontal flow at v = 0,4 m/s. (CFD-Software: Fluent [13]) Die CFD-Analysen legen eine symmetrische Struktur und Umströmung entlang eines mittigen Längsschnittes von MODUS zugrunde, so dass nur das halbe System zu modellieren ist. Das Rechengitter hat ca unstrukturierte Zellen, was einen hohen Grad an Modelliergenauigkeit auch auf gekrümmten Flächen erlaubt. Die Software Fluent [13] nutzt eine implizite Finite-Volumen Methode, um die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes- Gleichungen zu lösen. Die Strömung wird als stationär turbulent angenommen und mit dem RNG k-ε Turbulenzmodell dargestellt. Das RNG (Re- Normalized Group) Modell erlaubt die Vorhersage der Effekte aus Wandschubspannungen, Strömungsablösung und sekundären Strömungen besser als das Standard k-ε Modell. Die wandnahe Grenzschicht wird mit dem logarithmischen Wandgesetz modelliert. Die Simulationen der horizontalen Bewegungen konzentrieren sich auf die Bestimmung des Gleichgewichtszustands zwischen Strukturwiderstand und Schub durch die Antriebssysteme als Funktion der Anström- (oder Schlepp-) geschwindigkeit. Zu diesem Zweck werden die Düsenpropeller der Motoren durch Scheiben ersetzt, die in Fluent mit einem Drucksprung zur Erzeugung eines äquivalenten Schubes belegt werden. Die hierdurch beschleunigten Partikel beeinflussen das gesamte Nachstromfeld von MODUS, d.h. die Einbauposition für die Schuberzeuger ist so zu wählen, dass die beschleunigten Partikel keine Rahmenstruktur anstrahlen. Abb. 3 verdeutlicht die schrittweise Verbesserung der untersuchten Modellvarianten im Hinblick auf den Gesamtwiderstand für Horizontalfahrt: Variante A (md_v0) repräsentiert den in GEOSTAR 1 genutzten ersten Entwurf, der in der Adria bis 200 m Wassertiefe eingesetzt wurde. Deutlich sind quadratische Rahmenprofile zu erkennen, aus denen sich die Gesamtstruktur zusammensetzt. Es gibt keine bevorzugte Fahrtrich-

7 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 7 tung, die Geradeausfahrt ist instabil, zeitweise stellen sich hohe Rotationsgeschwindigkeiten ein. Variante B (md_v1) illustriert erste Schritte zu einem Entwurf mit reduziertem Gesamtwiderstand. Es werden einfache Verschalungsplatten eingesetzt, wodurch der Reibungswiderstandsanteil leicht erhöht, der Druckwiderstandsanteil jedoch deutlich verringert wird. Variante C (md_v2) zeigt eine komplett überarbeitete Studie. Hier werden die inneren Strukturen durch eine Verkapselung vor der Strömung abgeschirmt. Nur die Düsenpropeller und der unten offene Konus sind frei zugänglich. Obwohl so der Gesamtwiderstand deutlich reduziert werden konnte, wurde der Entwurf abgelehnt, da die Verbauung der innen liegenden Komponenten einen entscheidenden Nachteil bei der Arbeit an Bord darstellt. Variante D (md_v3) zeigt die Basis des schließlich favorisierten Entwurfs für die GEOSTAR 2- Tiefwasserversion von MODUS. Der Gesamtwiderstand konnte im Vergleich zu den Vorgängervarianten noch einmal deutlich reduziert werden. Die Gesamtstruktur wurde etwas kleiner und die Bodenfläche ist oval. Ergänzt durch zwei große Kunststofffinnen am Heck wurde die Geradeausfahrt stabilisiert. Das größere Trägheitsmoment bewirkt eine starke Dämpfung der Rotationsbewegungen. Die Studien münden in einer signifikanten Reduktion des Gesamtwiderstands von MODUS um mehr als 20 % für die wichtige Geradeausfahrt. Neben der horizontalen Fahrtrichtung spielt die vertikale Bewegung eine wichtige Rolle, insbesondere wenn die präzise Positionierung in oder über einer horizontalen Grenzschicht oder die Probenahme aus einer bestimmten Tiefenschicht erforderlich ist, wie im Projekt BIODEEP. Die hierzu durchgeführten CFD-Analysen dokumentieren, dass sich aufgrund der durch die Schiffsbewegungen bedingten vertikalen Oszillationen des Geräteträgers weit in den Raum reichende Nachstromgebiete ausbilden (Abb. 4). Nahe am Probenahmegebiet kann dies durch Vermischung der Schichten entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Wasserproben haben. 3.2 Hydroelastische Analyse Die hydroelastische Analyse in irregulärem Seegang berücksichtigt die Dynamik des gesamten Systems, bestehend aus Einsatzfahrzeug mit A - Rahmen, dem Multifunktionskabel (Umbilical) und dem Geräteträger MODUS mit oder ohne Bodenstation bei Operation in vorgegebenen Wassertiefen. Obwohl beliebig definierbar und aufgrund der modularen Struktur kombinierbar, sind die Gewichte in Wasser von MODUS auf 7,3 kn und von MODUS mit einer Testkonfiguration der Bodenstation (BS) auf exemplarische 14 kn festgelegt. Die Wassertiefe ist beispielhaft 3500 m. Ziel der Berechnungen ist die Bestimmung der Vertikalschwingungen von MODUS und MODUS+BS bei Operation vom Moon-Pool in Schiffsmitte oder dem A- Rahmen am Heck eines mittelgroßen Forschungsschiffes in irregulärem Seegang. Eine erste Einschätzung der Problembereiche erfolgt auf der Grundlage einer analytischen Analyse des Gesamtsystems, modelliert als elastisches Seil (Elastizität EA = 25*10 6 N, Masse pro Meter m s * = 2.27 kg, Gesamtmasse bei Kabellänge l: m s = m s *l) mit anhängendem MODUS-System (Gesamtmasse m = Eigenmasse m 0 + hydrodynamische Masse m h ). Abb. 4: Ergebnisse der numerischen Strömungsanalyse zeigen ausgedehnte Nachstromgebiete für MODUS während Fieroperation (links), Horizontalfahrt (Mitte) und Hievoperationen (rechts). Numerical flow field analysis illustrating large wake fields during descent operations (left), horizontal movements (middle) and ascent operations (right) with MODUS

8 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 8 Abb. 5: Bestimmung des dynamischen Antwortverhaltens des Einsatzschiffes im Seegang durch Anwendung der Spektralanalyse und Kurzzeitwellenstatistik [20]. Determination of the dynamic behavior of the parent ship applying spectral analysis and short term wave statistics [20] Ist die (Feder-) Masse des elastischen Seils gleichmäßig verteilt, so hat das Element der Länge dz die Masse m s dz/l und die Geschwindigkeit ( w / t ) = z s& ( t) / l, wobei s&(t ) die vertikale Geschwindigkeit der angehängten Last ist. Nach Szabo [14] ergibt sich für die kinetische Energie eines Elements des elastischen Seils 2 s m z s& ( t) 1 ms dz = s& ( t) z dz. 3 2 l l 2 l Unter Einbeziehung der kinetischen Energie der anhängenden Last m ergibt sich die kinetische Energie des Gesamtsystems E l ms ms 2 = ms& ( t) + s& ( t) z dz m s& ( t) l = Die potentielle Energie im elastischen Seil folgt aus s( t ) U = 0 EA l 1 EA s( t) ds = s( t) 2 l Aus dem Energiesatz E+U = const, d.h. ( E + U ) d 1 m EA = m + s 2 s& && s + 2 s s = 0 dt 2 3 2l & folgt ms EA m + & s + s = 0 3 l Bei harmonischer Erregung ergibt sich hieraus die Eigenfrequenz der Vertikalschwingung der hängenden Last EA ω R =, m l (m + ) s 3 2

9 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 9 d.h. die hydrodynamische Masse von MODUS bzw. MODUS+BS sowie die zu einem Drittel einfließende Seilmasse beeinflussen das Resonanzverhalten beträchtlich. Detaillierte Ergebnisse zum hydroelastischen Verhalten des Gesamtsystems wurden mit einem speziellen Simulationsprogramm von Vannahme [5] erzielt. Erste Anwendungen für geschleppte sowie vertikal kabelgebundene Systeme finden sich in [6, 7, 15]. Das Programm berücksichtigt nichtlineare Kabeleigenschaften (Widerstand und Auftriebskoeffizient, Kabelkrümmung, etc.) und bestimmt die stationären Bedingungen bei Queranströmung wie auch das dynamische Antwortverhalten der kabelgebundenen Körper. Wie Abb. 5 zeigt, wird zunächst das Seegangsverhalten des Schiffes als Übertragungsfunktion für alle relevanten Freiheitsgrade (experimentell oder numerisch) ermittelt. Das Spektrum des Antwortsignals ergibt sich aus der Multiplikation der quadrierten Übertragungsfunktion mit dem gewählten Seegangsspektrum. Aus dessen Fläche folgt mit 0 ( 2s ) = 4 S ( ω) dω i s die doppelte signifikante Bewegungsamplitude sowie deren Maximalwert (2s i ) max = 1,86 (2s i ) s. Das Verhältnis des signifikanten Antwortverhaltens zur zugehörigen signifikanten Anregungs- Wellenhöhe ist ein universeller Parameter, der das Bewegungsverhalten für die gewählte spektrale zero-upcrossing Periode T 0 charakterisiert. Die Transformation des Antwortspektrums des Systems aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich erfolgt durch Anwendung der inversen Fast-Fourier- Transformation (FFT). si Tabelle 2: Hauptabmessungen des Forschungsschiffes R/V Urania (ital. Reeder SO.PRO.MAR). Main technical characteristics of R/V Urania (italian owner SO.PRO.MAR) Gesamtlänge [m] 61.3 Länge zw. den Loten [m] 52.5 Breite [m] 11.1 Seitenhöhe [m] 5.3 Tiefgang [m] 3.6 Verdrängung [t] 1115 Abb. 6: Spektralanalyse für MODUS und MODUS+BS: Antwortverhalten bei See von vorn - Fall a (Kabel: Länge 3500 m, Gewicht 18.3 N/m, Elastizität EA = 25*10 6 N; MODUS: Masse 1090 kg, Gewicht in Wasser 7.3 kn; MODUS+BS: Masse 3500 kg, Gewicht in Wasser 14 kn) Spectral analysis for MODUS and MODUS+BS: Response motions in head seas - case a (Cable: Length 3500 m, weight in water 18.3 N/m, elasticity EA = 25*10 6 N; MODUS: Mass 1090 kg, weight i.w. 7.3 kn; MODUS+BS: Mass 3500 kg, weight i.w. 14 kn)

10 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 10 Tabelle 3: Charakteristik des Multifunktionskabels (Rochester 03379). Main technical characteristics of the umbilical (Rochester 03379) Einsatzlänge [m] 3500 Durchmesser [m] Bruchlast [kn] 378 Arbeitslast [kn] 89 E-Modul [Nm -2 ] 48.9*10^9 Masse pro Länge in Luft [kg/km] 2276 Gewicht pro Länge in Wasser [kn/km] Zahl der Glasfaserleitungen 3 Zahl der Kupferleitungen 3 (ausgelegt bis 3000 V) Ergebnisse der hydroelastischen Analysen für das Bewegungsverhalten des gesamten Systems (Forschungsschiff Umbilical MODUS+BS) sind in Abb. 6 dargestellt, die zugehörigen Eingangsdaten finden sich in den Tabellen 1 bis 3. Die Diagramme (a) zeigen die Übertragungsfunktionen (RAO Response Amplitude Operator) des Einsatzfahrzeugs (hier das italienische Forschungsschiff R/V Urania) für Tauchen und Stampfen bei See von vorn und von der Seite. Aus der Kombination von Tauchen und Stampfen ergibt sich die Übertragungsfunktion der vertikalen Bewegung am A-Rahmen (Diagramm (b)). Bemerkenswert ist hierbei, dass eine 1 m hohe Welle mit einer Periode von 6 s eine hauptsächlich durch Stampfen verursachte vertikale Heckbewegung von 2.7 m (Doppelamplitude) zur Folge hat. Aus der parallel hierzu durchgeführten hydroelastischen Analyse folgen die Übertragungsfunktionen der Vertikalbewegungen von MODUS und MODUS+BS (Bezugsgröße Schwingungsamplitude des A-Rahmens Diagramm (c)). Durch Multiplikation dieser Übertragungsfunktion mit der auf die Wellenbewegung bezogenen Heckbewegung (Diagramm (b)) ergibt sich die Vertikalbewegung der hängenden Last bezogen auf die Wellenamplitude. Diese Übertragungsfunktionen für MODUS bzw. MODUS+BS sind in Diagramm (d) quadriert aufgetragen. Im nächsten Schritt wird das Bewegungsverhalten in beliebigem Seegang ermittelt. Das hier gewählte Pierson-Moskowitz Seegangsspektrum wird auf eine Wellenhöhe H s von 1 m normiert (Diagramm (e)). Multipliziert mit den quadrierten Übertragungsfunktionen (Diagramm (d)) ergeben sich die Antwortspektren für die Tauchbewegung von MODUS (Diagramm (f)), und MODUS+BS (Diagramm (g)). Aus den Flächen unter den Kurven der Antwortspektren lassen sich die jeweiligen signifikanten Doppelamplituden der vertikalen Bewegungen von MODUS und MODUS+BS berechnen. Die Ergebnisse, d.h. die signifikanten Doppelamplituden der Vertikalbewegung von A-Rahmen, MODUS sowie MODUS+BS zeigt Abb. 7. Verglichen werden verschiedene Absetz- und Bergungsverfahren. In den Diagrammen (a) und (b) wird die Operation über den A-Rahmen bei See von vorn bzw. von der Seite simuliert, Diagramm (c) zeigt die Ergebnisse beim Einsatz vom Moon-Pool bei See von vorn. Wie nicht anders zu erwarten, sind die Einsatzgrenzen durch die Erregeramplituden, d.h. die Vertikalbewegung des A-Rahmen bzw. der Aufhängung im Moon-Pool vorgegeben. Abb. 7: Signifikante Vertikalbewegung bezogen auf die signifikante Wellenhöhe: Vergleich verschiedener Absetz- und Bergungsverfahren (a) Einsatz via A-Rahmen bei See von vorn, (b) Einsatz via A-Rahmen bei See von der Seite und (c) Einsatz vom Moon-Pool [15]. Significant response of vertical motions as related to significant wave height: Comparison of different modes of operation (a) deployment via A-frame in head seas, (b) deployment via A-frame in beam seas and (c) moon-pool deployment

11 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 11 Abb. 8: Simulationsergebnisse des dynamischen Verhaltens im Zeitbereich: Vertikale Oszillationen am A- Rahmen und die hieraus folgende Bewegung der angehängten Last sowie axiale Seilkraft am oberen Ende (Winde) und am MODUS-System (H s =0.7 m, T 0 =5 s) [5,15]. Simulation of dynamic behavior in time domain: Vertically A-frame oscillation amplitude, oscillation amplitude of the suspended load, cable force at the A-frame as well as at the suspended load (H s =0.7 m, T 0 =5 s) [5,15] Für den ungünstigsten Fall (a) (MODUS+BS) ergeben sich Doppelamplituden der Last bis zum 5.5-fachen der signifikanten Wellenhöhe, wesentlich verursacht durch die extremen Beiträge aus der Stampfbewegung. Hierzu zeigt Abb. 8 Simulationsergebnisse für einen Seegang mit H s = 0.7 m und T 0 = 5 s im Zeitbereich [5, 15]. In Folge der hohen Erregeramplituden am A-Rahmen und den hierdurch verursachten extremen Vertikaloszillationen von MODUS+BS ergibt die Analyse der axialen Seilkraft heftige Schwankungen am oberen Ende. Dies führt bei t = 77 s auf eine totale Entlastung des Kabels am unteren Ende, d.h. zu einem slack-zustand. Da hierdurch die Bewegungen der getauchten Struktur und des Einsatzfahrzeugs entkoppelt sind, schwingen beide mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen. Gefürchtet werden diese Situationen wegen der hohen Kraftspitzen (snap loads) und den starken Schwankungsbewegungen des Geräteträgers, die direkt nach der slack-situation durch das erneute peitschenartige Straffen des Kabels eintreten. Nicht selten wird hierbei die Bruchlast des Kabels überschritten und ganze Systeme gehen verloren. Das Zeitsignal im Simulationsergebnis zeigt solch eine snap load als direkte Folge einer slack-situation in einer Sequenz bei der die A-Rahmen-Amplitude nur moderate Werte aufweist. Dieser sog. yo-yo - Effekt, der bei Einsatz kabelgebundener Geräteträger aufgrund hydroelastischer Eigenschaften des gesamten getauchten Systems beobachtet wird, muss vermieden bzw. mit Seegangsfolgeeinrichtungen kompensiert werden. Definiert man die slack-cable-bedingung als Einsatzgrenze, so gibt Abb. 9 die Grenzarbeitsbedingungen sowie die zugehörigen Bewegungsübertragungsfunktionen der jeweiligen Einsatzalternativen wieder [5, 15]. Wie die dunklen Flächen dokumentieren, sind kritische Situationen für MODUS in regulärem Seegang bei Wellenperioden von T = 4 s bereits bei einer A-Rahmen-Bewegungsamplitude von 0.5 m zu erwarten. Damit ist die Wellenhöhe der Operation auf 2 m begrenzt, die zugehörige MODUS-Bewegungsamplitude ergibt sich zu 1 m. Abb. 9: Slackbedingungen und Vertikalschwingungsamplituden (bezogen auf Erregeroszillation) bei 3500 m Kabellänge, 0.2 m/s Anströmung und 18.3 N/m Kabelgewicht in Wasser (Kabelelastizität EA = 25*10 6 N) für MODUS (Masse 1090 kg, Gewicht i.w. 7.3 kn) [links], sowie MODUS+BS (Masse 3500 kg, Gewicht i.w. 14 kn) [rechts] [5,15]. Incipience of slack cable conditions and amplitudes of vertical motions related to generation of oscillations at cable length = 3500 m, current = 0.2 m/s, cable weight in water = 18.3 N/m (cable elasticity: EA=25*106 N) for MODUS (mass=1090 kg, weight i.w. = 7,3 kn) [left], for MODUS+BS (mass =3500 kg, weight i.w. = 14 kn) [right] [5,15]

12 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 12 Aus den hydroelastischen Untersuchungen ergeben sich wertvolle Hinweise für Entwurf und Betrieb von MODUS und Bodenstation. Zunächst ist zu konstatieren, dass die Vertikalbewegung der Schiffsbewegung im Aufhängepunkt der Last zu minimieren ist. Sofern sich bei dieser seegangsbedingten Zwangsbewegung Abwärtsbewegungen mit größeren Beschleunigungen als der Erdbeschleunigung g ergeben, sind slack-cable-situationen bei geringen Kabellängen vorprogrammiert. Günstige Bedingungen ergeben sich, wenn die hängende Last der Bewegung des Aufhängepunktes an Bord des Schiffes folgen kann, was von der Masse und hydrodynamischen Masse sowie dem vertikalen Widerstand des Systems MODUS+BS abhängt und in Abstimmung mit der Seilmasse und elastizität bei gegebener Wassertiefe zu optimieren ist. Wie in Vannahme und Clauss [16] diskutiert, lassen sich die einsatzgefährdenden slack- Bewegungen bei größerer Kabellänge und niedriger Gesamtlast vermeiden. Dies impliziert auch eine Verringerung der vertikalen hydrodynamischen Masse, die bei MODUS im wesentlichen durch den Konus mit einem Durchmesser von ca. 2 m definiert ist. Höhere Massen verschieben die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzwerten, was beträchtlich größere Lastbewegungen bedingt, da auch die Seegangsenergie anwächst (siehe Abb. 6). Mit den in den Abb. 7-9 vorgelegten Ergebnissen wird deutlich, dass der Optimierungsprozess multimodal ist. 4 Erste Erfahrungen aus dem Tiefseeeinsatz Der Prototyp von MODUS mit allen Subsystemen absolvierte zahlreiche Trocken- und Tanktests in Labors und Wassertanks der TU Berlin bevor die Gesamtintegration mit der GEOSTAR Bodenstation in Anlagen der italienischen Projektpartner Tecnomare in Venedig stattfinden konnte. Die abschließenden Tests und Missionen im Flachwasser (40 m) sowie in Wassertiefen von 370 m, 1000 m und 3500 m erfolgten im Rahmen des Projektes GEOSTAR. Weitere laufende Projekte befassen sich mit der Probenahme aus Tiefseebecken (BIODEEP) und der Installation von seismischen Frühwarnstationen (GNDT, ORION) im Tiefseegebiet rund um Italien. 4.1 GEOSTAR Die erste Phase des GEOSTAR Projektes (GEOSTAR 1, ) konnte mit einer sehr erfolgreichen Demo-Mission im Flachwasser der Adria abgeschlossen werden, wobei folgende Ziele erreicht wurden [17]: Absetzen einer voll ausgerüsteten Multifunktions-Bodenstation in 40 m Wassertiefe Durchführen einer völlig autonom ablaufenden wissenschaftlichen 30-Tage-Mission mit Online-Datenkommunikation zwischen Landstation und getauchter Bodenstation Auffinden der Bodenstation, Ankoppeln mit MODUS und Bergen an Bord des Forschungsschiffes Die allgemeine Tauglichkeit des An- und Abkoppelprinzips sowie die hervorragende Funktionsweise der Sensoren und der Datenerfassung der Bodenstation führte zur Fortsetzung der EU- Förderung im Rahmen der zweiten Projektphase GEOSTAR 2 (01/ /2001). Mit der Tiefwassermission im Jahre 2000 hat GEOSTAR 2 seine Bewährungsprobe bestanden: Absetzen einer voll ausgerüsteten Multifunktions-Bodenstation in 2000 m Wassertiefe Installation einer akustischen Kommunikationsstrecke für die bidirektionale Online- Verbindung zwischen einer Landstation über Inmarsat- und/oder Argos- Satelliten und einer fest verankerten Boje mit Unterwasserkommunikation zur Bodenstation Durchführen einer völlig autonom ablaufenden wissenschaftlichen siebenmonatigen Sensor- Mission Auffinden der Bodenstation, Ankoppeln mit MODUS und Bergen des Gesamtsystems an Bord des Forschungsschiffes (Abb. 10- links) Auslesen und Analyse der Daten 4.2 BIODEEP Das EU-Projekt BIODEEP hat die Entwicklung und den Einsatz neuer Instrumentarien und Technologien zum Aufspüren und Verwerten geochemischer und mikrobiologischer Ressourcen aus sogenannten DHABs Deep Hypersaline Anoxic Basins) zum Ziel. Die zu untersuchenden Becken befinden sich im Ostmittelmeer in einer Wassertiefe bis zu 3700 m [18]. Die gezielte Beprobung der Brühe in diesen Becken stellt aufgrund der korrosiven Eigenschaften der Flüssigkeit eine große Herausforderung an das technische Gerät dar. Um nicht den Geräteträger selbst durch das Eintauchen zu gefährden, wurde MODUS um einen festen Rahmen erweitert (das sog. SCISKID), der Halt für ein sekundäres Umbilical und eine daran befestigte Probenahmerosette mit CTD (Sensor für Conductivity- Temperature-Depth) (dem sog. SCIPACK) bietet (Abb. 10- rechts).

13 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 13 Abb. 10: MODUS nach erfolgreichen Operationen in Wassertiefen bis zu 3700 m: (links) MODUS gekoppelt mit GEOSTAR 2-Bodenstation nach Bergung aus der Tiefsee; (rechts) MODUS mit BIODEEP Probenahmerosette. MODUS after successful operations in deep waters down to 3700 m: MODUS coupled with the Bottom Station after recovery on board R/V [left]; MODUS with BIODEEP water sampling rosette [right]. Je nach Konfiguration hat das Kabel eine Länge zwischen 10 und 200 m. Mit der Rosette ist das Eintauchen in die Brühe möglich und die Probenahme durchführbar. Die durchgängige bidirektionale Telemetrieverbindung vom Einsatzfahrzeug über MODUS zum Schließmechanismus der Rosetten und dem CTD versetzt den Wissenschaftler an Bord dabei in die Lage, gezielt die nur 0.5 m starke Grenzschicht zwischen normalem Seewasser und der Brühe zu beproben und zudem das korrekte Schließen der Probenahmezylinder per Video zu überwachen. Somit wird die Qualität und die Quantität der erzielten Proben pro Tauchgang optimiert, was Zeit und Geld spart. Die erste Tiefseemission mit BIODEEP stellt eine eindrucksvolle Bestätigung der MODUS- Technologie dar, betrachtet man nur die mit 17 Tauchgängen bis in Wassertiefen von 3700 m in elf Tagen hohe Tauchfrequenz während dieser Mission. Ein Beweis für das richtige modulare Konzept von MODUS ist mit der Tatsache verknüpft, dass der Wechsel von der Probenahmekonfiguration zur Inspektionskonfiguration und zurück an Bord innerhalb kürzester Zeit bis zu drei mal am Tag (inkl. der Tauchgänge) erfolgt ist. 4.3 Hydroelastische Detailuntersuchung Im AiF-Projekt Dynamische Analyse der hydroelastischen Eigenschaften kabelgebundener Tiefseegeräteträger (Vorhaben-Nr.: N/1) werden derzeit hydroelastische Detailuntersuchungen durchgeführt, mit denen insbesondere die slack-cable- Bedingungen (Abb. 11) quantifiziert und das Betriebsverhalten des Gesamtsystems optimiert wird. Erste Ergebnisse dieses Vorhabens haben zum Erfolg der hier beschriebenen GEOSTAR-Einsätze beigetragen. Abb. 11: Der Blick nach oben zeigt eine slack-cable- Situation während der Operation mit MODUS (Kabelreflektion verstärkt dargestellt). One camera view up: Slack cable situation during operation of stand alone MODUS (cable reflection amplified)

14 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen 14 5 Zusammenfassung Ein hoher Grad an Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit gehört zu den Grundvoraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von Tiefseeinterventionsfahrzeugen in der Offshoreindustrie und der Meeresforschung. Die jüngsten Erfolge des Spezial-ROV MODUS sowohl beim Absetzen und Bergen großer und schwerer Stationen (Traglast von MODUS bis zu 30 kn), als auch bei der videogestützten Inspektion und der gezielten Beprobung seltener Tiefseebecken in bis zu 4000 m Wassertiefe demonstrieren diese hohe Verfügbarkeit gepaart mit einer guten Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Die vorliegende Arbeit bezieht sowohl hydrodynamische als auch hydroelastische Entwurfsaspekte in die dynamische Analyse des gesamten Systems bestehend aus Schiff A-Rahmen Multifunktionskabel MODUS (m/o Bodenstation) ein. Hydrodynamische Optimierungen stellen ihren Nutzen bei der Bestimmung und Reduzierung des Strömungswiderstands des getauchten Systems unter Beweis die Umsetzung der erzielten Erkenntnisse bewirkt die energieeffiziente Arbeit der Unterwasserschubaggregate und somit die Erweiterung des horizontalen Aktionsradius. Fallstudien zum Einsatz des kabelgebundenen Systems bei Operation über den A - Rahmen am Heck des Schiffes in See von vorn, in See von der Seite sowie bei Operation durch einen auf Schiffsmitte befindlichen Moon-Pool berücksichtigen hydroelastische Effekte aus Widerstand, Kabeldehnung und krümmung und geben Aufschluss über günstige Begegnungswinkel von regulärem, bzw. irregulärem Seegang zum Schiff. Verdeutlicht wird der vorteilhafte Beitrag von Moon- Pool-Fahrzeugen bei der Erweiterung des Arbeitsbereiches des Systems auch bei ungünstigen Seegangsbedingungen. Der Einsatz von Aggregaten zur hochfrequenten Seegangsfolge oder Seegangskompensation wird empfohlen und mögliche konstruktive Maßnahmen werden kurz angesprochen, um die Gefahr von slack-cable-situationen während der langwierigen Fier-, und Hievoperationen zu minimieren. Im Fazit erweist sich MODUS als vielseitiges und ökonomisches Werkzeug zum Einsatz in der Tiefsee. Er ist ein idealer Geräteträger zur modularen Installation, Betreuung und Bergung einzelner Bodenstationen sowie ganzer Netzwerke zur Erkundung der tiefen Meere. Somit vereint das Gerät alle notwendigen Eigenschaften, um die wachsenden Ansprüche aus Meeresforschung und Meerestechnik zu erfüllen [19]. 6 Danksagung Die GEOSTAR-Projekte wurden unter den Verträgen EU/DG XII Mast III-CT (GEOSTAR 1) und Mast III-CT (GEOSTAR 2) durchgeführt. Die Autoren danken den Projektpartnern Istituto Nazionale di Geofisica (Coordination-Rom), Tecnomare SpA (Venedig), Technische Fachhochschule Berlin, Ifremer (Brest), Orca Instrumentation (Brest), Lab. d Océanographie et de Biogeochimie CNRS (Toulon), Institut de Physique du Globe de Paris (Paris). Das Projekt BIODEEP wird unter dem Vertrag EU/DG XII EVK3-CT durchgeführt. Wir danken auch diesen Projektpartnern ULR Co- NISMa Milano-Bicocca (Coordination-Mailand), Istituto Sperimentale Talassografico CNR (Messina), Tecnomare SpA (Venedig), Technische Fachhochschule Berlin, Technische Universität Braunschweig, Institute of Marine Biology of Crete (Kreta), University of Patras (Patras), LMM-CNRS (Marseille), Proteus S.A. (Toulon), University of Essex (Essex), Southampton Oceanography Centre (Southampton), University of Utrecht (Utrecht), University of Groningen (Groningen) für die fruchtbare und besonders erfolgreiche Zusammenarbeit, die entscheidend zum Gelingen der Projekte beigetragen hat. Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) für die Förderung des Projekts Dynamische Analyse der hydroelastischen Eigenschaften kabelgebundener Tiefseegeräteträger (Vorhaben-Nr N/1) durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v., ohne die der tiefere Einstieg in die Thematik nicht möglich gewesen wäre. Sie bedanken sich weiterhin bei der Gesellschaft für Maritime Technik (GMT) für die erfolgreiche Zusammenarbeit und administrative Unterstützung. Die Autoren danken den Kollegen W. Langner und P. Longerich sowie allen Mitarbeitern und studentischen Hilfskräften am Bereich Schiffs- und Meerestechnik der TU Berlin und der TFH Berlin, die zum Gelingen der Arbeiten beigetragen haben. 7 Schrifttum 1. Westwood J., What the Future Holds for ROVs and AUVs, UnderWater Magazine, Article reprint: May/June Clauss G.F., Hoog S., Gerber H., Design and Deepwater Tests of MODUS - the Deployment and Recovery Vehicle for GEOSTAR 2 - Seafloor Stations, Proc. of the 11 th Int. Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE), Stavanger, Norway, June 17-22, 2001.

15 MODUS - Ein Schwerlast-ROV für das Ausbringen und Bergen von Tiefsee Stationen Driscoll F.R., Lueck R.G., Nahon M., Development and validation of a lumped-mass dynamics model of a deep-sea ROV system, Applied Ocean Research, 22, , Elsevier, Huang S. and Vassalos D., Analysis of Taut- Slack Marine Cable Dynamics, Proc. of the 14 th Int. Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symp. (OMAE), June 18-22, Copenhagen, Denmark, Vol. 1-B, pp , Vannahme M., Dynamische Analyse getauchter Schleppsysteme, PhD Thesis, Technical University Berlin, Mensch & Buch Verlag, ISBN , Clauss G.F. and Vannahme M., Nonlinear Dynamics of Towed Underwater Vehicles, Proc. of the 8 th Int. Symp. on Practical Design of Ships and Other Floating Structures (PRADS), Shanghai, China, September Vannahme M. and Clauss G.F., Non-linear Dynamics of Vertically Tethered and Towed Body Systems, Proc. of the 10 th Int. Congress of the Int. Maritime Assoc. of the Mediterranean (IMAM), Paper No. 133, Crete, Hellas, DESIBEL, New Methods for DEep Sea Intervention on future BEnthic Laboratories, EU-project in framework MAST II-DG XII CT Reports up to GEOSTAR, GEophysical and Oceanographic STation for Abyssal Research, EU-project in framework MAST III-DG XII CT (GEOSTAR 1) and MAST III-DG XII CT (GEOSTAR 2), , Gerber H. and Clauss G.F., Development and Operational Optimization of MODUS, the GEOSTAR Subsea Docking System, Proc. of the 20 th Int. Conf. on Offshore Mech. and Arctic Engineering (OMAE), Rio de Janeiro, Brazil, June Gasparoni F., Calore D., Campaci R., From Abel to GEOSTAR: Development of the first European Deep-Sea Scientific Observatory, Developments in Marine Technology Series: Science-Technology Synergy for Research in Marine Environment: long term deep sea observatories, Elsevier Science Ltd., Oxford, Gerber H. and Schulze D., GEOSTAR Development and test of a deployment and recovery system for deep-sea benthic observatories, Conference Proceedings of OCEANS98, Nice, France, Fluent, CFD Software, online Handbücher, Fluent Deutschland GmbH, Darmstadt, Szabo I, Einführung in die Technische Mechanik, 4. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Clauss G.F., Hoog S., Vannahme M., Gerber H., Gasparoni F., Calore D., MODUS: Space Shuttle for Deepwater Interventions, Conference Proceedings of Offshore Technology Conference (OTC) 2002, OTC 14051, Houston, Texas, USA, May Vannahme M., Clauss G.F., Dynamische Analyse hydroelastischer Effekte getauchter Schleppsysteme, Vorabdruck der 97. Tagung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Nov , Hamburg, Gasparoni F., Favali P., Smriglio G., Gerber H., Clauss G., Marvaldi J., Fellmann D., Millot C., Montagner J.F., Marani M., Results and Perspectives from the first Mission of the European abyssal observatory GEOSTAR, Contribution to Oceanology Int Conference, Brighton, UK, Corselli C. and Basso D., Mediterranean ridge accretionary complex yields rich surprises, Eos, Transactios, Americ. Geophys. Union, Vol. 77, No. 24, June 11, page 227, Clauss G.F. and Hoog S., Deep Sea Challenges of Marine Technology and Oceanographic Engineering, Developments in Marine Technology Series: Science-Technology Synergy for Research in Marine Environment: long term deep sea observatories, Elsevier Science Ltd., Oxford, Clauss G.F., Lehmann E. und Östergaard C., Meerestechnische Konstruktionen, Springer Verlag, Berlin, ISBN , 1988.