Robotische Navigationstechnik erforscht die Tiefsee
18. Mai 2021Robotische Navigationstechnik erforscht die Tiefsee
New York,18.5.2021
Am 14. Mai wird das Schiff Okeanos Explorer der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) von Port Canaveral in Florida aus zu einer zweiwöchigen Expedition unter der Leitung von NOAA Ocean Exploration aufbrechen, bei der die Technologie eines autonomen Unterwasserfahrzeugs vorgeführt wird. Unter dem Namen Orpheus wird diese neue Klasse von Unterwasserrobotern ein System präsentieren, das ihm hilft, seinen Weg zu finden und wissenschaftlich interessante Merkmale auf dem Meeresboden zu identifizieren.
Die geländebezogene Navigation hat dem Marsrover Mars 2020 Perseverance der NASA bei seiner Präzisionslandung auf dem Roten Planeten am 18. Februar geholfen. Das System ermöglichte es dem absteigenden Roboter, die Marslandschaft visuell zu kartieren, Gefahren zu erkennen und dann einen sicheren Ort für die Landung ohne menschliche Hilfe zu wählen. In ähnlicher Weise nutzt der Ingenuity Mars Helicopter der Agentur ein visuelles Navigationssystem, um während des Fluges Oberflächenmerkmale auf dem Boden zu verfolgen, um seine Bewegungen über die Marsoberfläche abzuschätzen.
Die von den Ingenieuren des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien höher entwickelte Version der visuellen Navigation, die bereits auf dem Mars zum Einsatz kam, wird nun etwas näher an der Heimat erprobt: vor der Ostküste der USA im Atlantik.
Um in den dunklen und oft trüben Gewässern in der Nähe des Meeresbodens zu navigieren, wären normalerweise große, leistungsstarke Ortungsgeräte wie Sonar erforderlich. Durch den Einsatz eines stromsparenden Systems aus Kameras und Lichtern sowie einer fortschrittlichen Software ist Orpheus um eine Größenordnung leichter als die meisten Tiefsee-Tauchboote. Kleiner als ein Quad und mit einem Gewicht von etwa 250 Kilogramm ist Orpheus so konzipiert, dass es wendig, einfach zu bedienen und robust ist, während es Tiefen erforscht, die für die meisten Fahrzeuge unerreichbar sind.
Entwickelt von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) in Zusammenarbeit mit dem JPL, kann Orpheus fast überall im Ozean ungefesselt arbeiten, auch in den extremsten Tiefen. Letztendlich hofft das Projektteam, dass ein Schwarm dieser Unterwasserroboter als Team zusammenarbeitet, um 3D-Karten der riesigen Regionen des unerforschten Meeresbodens in der Hadal-Zone zu erstellen – Regionen, die tiefer als 6.000 Meter sind. Doch bevor der Roboter diese Tiefen erkunden kann, muss er zunächst in flacheren Gewässern auf Herz und Nieren geprüft werden.
„Diese Tech-Demo wird dazu dienen, Daten zu sammeln, um die Funktionsfähigkeit der geländerelevanten Navigation im Ozean zu demonstrieren und gleichzeitig zu zeigen, wie mehrere Roboter in extremen Umgebungen zusammenarbeiten können“, so Russell Smith, Robotik-Maschinenbauingenieur am JPL. „Diese Tests bringen uns auf den richtigen Weg, um zukünftige Tauchgänge in die Hadal-Zone zu starten und auf intelligente Weise spannende Regionen mit hoher biologischer Aktivität aufzuspüren.“
Orpheus‘ Version der visuell-gestützten Navigation wird visuell-inertiale Odometrie oder xVIO genannt und funktioniert durch den Einsatz eines Systems aus fortschrittlichen Kameras und einer Software zur Mustererkennung zusammen mit Instrumenten, die seine Orientierung und Bewegung präzise messen können. Während Orpheus über den Meeresboden fährt, identifiziert xVIO Merkmale – wie Felsen, Muscheln und Korallen – unter dem Fahrzeug. Wie bei einer Autofahrt, bei der man sich Landmarken merkt, erstellt xVIO 3D-Karten, die diese Merkmale als Wegpunkte nutzen, um zu navigieren. Aber dieses System ist mehr als nur ein Mittel, um zu verhindern, dass der Tauchroboter verloren geht.
Die hochauflösenden Karten, die xVIO erstellt, werden im Speicher abgelegt, so dass Orpheus, wenn er in das Gebiet zurückkehrt, die einzigartige Verteilung der Merkmale erkennt und sie als Ausgangspunkt für weitere Erkundungen verwendet. Und bei der Zusammenarbeit mit Roboterkollegen können die Karten ausgetauscht, mit Querverweisen versehen und weiterentwickelt werden, um schnell Gebiete von wissenschaftlichem Interesse zu identifizieren.
„In der Zukunft werden einige der extremsten Meeresumgebungen in unserer Reichweite liegen. Von tiefen Ozeangräben bis hin zu hydrothermalen Schloten gibt es viele neue Ziele, die wir erforschen werden“, sagt Andy Klesh, ein Systemingenieur, ebenfalls am JPL. „Indem wir klein geblieben sind, haben wir ein neues, vereinfachtes Werkzeug für Meeresforscher geschaffen – eines, das der NASA als analoges System für die autonome Weltraumforschung direkt zugute kommt.“
Klesh wies aber noch auf einen weiteren Vorteil der Zusammenarbeit zwischen der NASA und Organisationen wie WHOI und NOAA mit ihrem umfangreichen ozeanographischen Fachwissen hin: Die Technologien, die entwickelt werden, um die Ozeane der Erde mit intelligenten, kleinen und robusten autonomen Unterwasserfahrzeugen zu erforschen, könnten letztlich auch für die Erforschung der Ozeane auf anderen Welten genutzt werden.
Erdanaloga werden oft als ökologische Stellvertreter für andere Orte im Sonnensystem verwendet. Zum Beispiel besitzt der Jupitermond Europa einen unterirdischen Ozean, in dem günstige Bedingungen für Leben herrschen könnten.
„In Hadal-Tiefen auf der Erde entspricht der Druck in etwa dem des unterirdischen Ozeans von Europa, von dem man annimmt, dass er etwa 80 Kilometer tief ist“, sagt Tim Shank, der Biologe, der das HADEX-Programm (Hadal Exploration) der WHOI leitet. „Der Gedanke, dass diese Expedition das Sprungbrett zu neuen Entdeckungen über unseren eigenen Planeten sein könnte, einschließlich der Beantwortung der grundlegendsten Frage, ist tiefgreifend: Gibt es Leben nur auf der Erde, oder gibt es andere Orte jenseits dieses blassblauen Punktes, wo Leben entstanden sein könnte? Aber bevor wir Europa oder irgendeine andere Ozeanwelt erforschen können, müssen wir zuerst unsere eigene Heimat besser verstehen.
