-
Die Erfindung betrifft ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, zur Probenentnahme von Gasblasen unter Wasser mit einem Fahrzeugkörper welcher ein Heck und einen Bug aufweist, einem Unterwasserantrieb, eine den Unterwasserantrieb steuernde und/oder regelnde Steuereinrichtung, und einer Probenentnahmevorrichtung, welche einen Probenraum aufweist, sowie ein Verfahren zur Probenentnahme von Gasblasen unter Wasser mittels eines Unterwasserfahrzeugs.
-
Bei der Exploration und Erkundung eines Unterwassergebietes sind Unterwassergasblasen, welche beispielsweise durch Erdgas gebildet werden, ein Hinweis auf mögliche Fördergebiete. Gasblasen können jedoch auch durch anderweitige Prozesse entstehen, sodass eine eindeutige Identifizierung des Gases, welches die Gasblasen bildet, notwendig ist.
-
Zum Ziehen etwaiger Proben können Taucher eingesetzt werden. Der Einsatz von Tauchern ist jedoch in der Tiefe beschränkt, sodass diese Art der Probenentnahme nicht überall möglich ist. Alternativ könnte entsprechend eine Hebevorrichtung mittels eines Seils, an dessen Ende ein Probenaufnehmer angeordnet ist, von einem Schiff abgelassen werden. Da Gasblasen nicht über den gesamten Meeresboden hinweg ausgestoßen werden, ist das kontrollierte Verbringen des Probennehmers an die richtige Stelle nicht möglich.
-
Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
-
Gelöst wir die Aufgabe durch ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere unbemanntes Unterwasserfahrzeug, zur Probenentnahme von Gasblasen unter Wasser mit einem Fahrzeugkörper, welcher ein Heck und einen Bug aufweist, einem Unterwasserantrieb, einer den Unterwasserantrieb steuernden und/oder regelnden Steuereinrichtung und einer Probenentnahmevorrichtung, welche einen Probenraum aufweist, wobei dem Probenraum eine Schalteinrichtung zugeordnet ist, sodass durch ein Beschalten mittels der Schalteinrichtung der Probenraum zur Aufnahme von Gasblasen öffenbar und/oder verschließbar ist.
-
Somit kann ein Unterwasserfahrzeug bereitgestellt werden, welches beispielsweise Gasblasen detektiert und diese nach der Detektion vor Ort eine Probe zieht. Sofern dem Probenraum bereits eine Analyseeinrichtung zugeordnet ist, kann direkt eine Analyse der Probe erfolgen. Eine derartige Analysevorrichtung kann beispielsweise ein IR- und/oder Raman-Spektrometer oder ein sonstiger Gasdetektor sein.
-
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
-
Ein „Unterwasserfahrzeug“ ist insbesondere ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug. Dabei kann es sich um ein AUV (autonomous underwater vehicle) oder auch um ein ROV (remotely operated vehicle) handeln. Für den Fall, dass ein ROV eingesetzt wird, können direkt Analyseergebnisse über das Kabel, über welches das ROV seine Steuerbefehle erhält, transferiert werden.
-
Ein derartiges Unterwasserfahrzeug weist insbesondere einen „Fahrzeugkörper“ auf, welcher ein Bug und ein Heck ausbildet.
-
Zum Antreiben und Ausrichten des Unterwasserfahrzeuges kann dieses einen „Unterwasserantrieb“ aufweisen. Dieser kann beispielsweise vier Propeller umfassen, welche in einem Abstand von 90° um den Fahrzeugkörper herum angeordnet sind. Auch eine Anordnung im Heck kann eingesetzt werden. Sofern vier Propellerantriebe eingesetzt werden, können diese durch ein Ansteuern und/oder ein Regeln das Unterwasserfahrzeug bewegen und ausrichten. Im Gegensatz zum Steuern erfolgt beim Regeln eine Rückkopplung. Somit bedeutet Regeln ein Messen der zu beeinflussenden Größe (Regelgröße) in der Regelstrecke und kontinuierliches Vergleichen mit dem gewünschten Wert (Sollwert oder Führungsgröße). Der Regler bestimmt entsprechend der Abweichung (Regeldifferenz) eine Stellgröße, die so auf die Regelgröße einwirkt, dass sie die Abweichung minimiert und die Regelgröße ein gewünschtes Zeitverhalten annimmt trotz vorhandener Störgrößen.
-
Dieses Bewegen und Ausrichten erfolgt insbesondere mittels einer steuernden und/oder regelnden „Steuereinrichtung“. Dadurch, dass diese Steuereinrichtung beispielsweise den Propellern unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeiten und/oder Richtungen aufprägt, kann ein Vortrieb, ein Rückwärtsfahren, ein steuerbordseitiges oder backbordseitiges Auslenken und/oder ein Auf- und/oder Abwärtsfahren des Unterwasserfahrzeugs realisiert werden.
-
Die „Probenentnahmevorrichtung“ dient der Aufnahme von Gasblasen unter Wasser. Dazu weist die Probenentnahmevorrichtung einen Hohlraum auf, welcher vorliegend den „Probenraum“ ausbildet. Im Regelfall weist die Probenentnahmevorrichtung einen Zugang auf, welcher die Umgebung des Unterwasserfahrzeugs mit dem Probenraum verbindet. Der Probenraum kann den Hohlraum auch erst bei Probennahme bilden. Beispielsweise kann der Probenraum durch zwei Gummiflächen gebildet werden, welche an Ihren Rändern zusammengefügt sind oder auch durch eine elastische Blase, welche vor der Probennahme evakuiert ist. Die elastische Blase kann sich bei der Probennahme entsprechend ausdehnen.
-
Zum Öffnen und/oder Schließen des Probenraums weist die Probenentnahmevorrichtung eine Schalteinrichtung auf. Dies kann beispielsweise eine den Zugang bildende verfahrbare oder verschiebbare Klappe sein, welche mittels Stellmotoren angesteuert wird. Weiterhin kann durch die Klappe und die Stellmotoren sowie der entsprechenden Ausgestaltung ein Klappen oder Verschieben erfolgen, wodurch eine Öffnung zum Probenraum realisiert wird. Die Öffnungsklappe kann beispielsweise über ein Schienensystem oder Dergleichen verfahren oder ausgelenkt werden. Bei der elastischen Blase beispielsweise kann eine Öffnung vorgesehen sein, welche insbesondere durch ein entgegengesetztes Ziehen an zwei Seiten in der Nähe der Öffnung geöffnet wird.
-
Durch „Beschalten“ erfolgt mithin das Öffnen und/oder Verschließen des Probenraumes. Das Beschalten kann insbesondere durch ein Ansteuern von Stellmotoren realisiert werden. Auch ein Magnetverschluss, welcher beispielsweise durch Bestromen ein Magnetfeld ausbildet, welches die Öffnungsklappe öffnet oder schließt, kann vorliegend verwendet werden und durch das Beschalten den Probenraum öffnen oder schließen.
-
Aufgrund dessen, dass die Probenentnahme bei beispielsweise seitlich oder heckseitig angeordneten Unterwasserantrieben erschwert beziehungsweise gestört wird, kann die Probenentnahmevorrichtung heckseitig angeordnet sein, sodass bei einer vertikalen Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs aufsteigende Gasblasen bei geöffnetem Probenraum in den Probenraum gelangen. Somit kann gesichert gewährleistet werden, dass tatsächlich Gasblasen in den Probenraum gelangen ohne dass diese durch den Unterwasserantrieb störend beeinflusst werden. Insbesondere für den Fall, dass der Unterwasserantrieb nicht heckseitig angeordnet ist, sondern seitlich am Fahrzeugkörper, kann das Beeinflussen durch den Unterwasserantrieb bei der Probennahme deutlich minimiert werden.
-
Bei einer „vertikalen Ausrichtung“ des Unterwasserfahrzeuges ist das Heck des Unterwasserfahrzeugs bodenseitig und der Bug in Richtung der Wasseroberfläche ausgerichtet. Das bedeutet, dass, falls das Unterwasserfahrzeug in dieser Ausrichtung aufsteigen würde, ein Betrachter an der Wasseroberfläche zuerst den Bug des Unterwasserfahrzeuges sehen würde.
-
Aufgrund der Dichteunterschiede von Gasblasen gegenüber dem umgebenden Wasser, steigen Gasblasen im Allgemeinen vertikal auf und würden bei der vertikalen Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs zuerst das Heck des Unterwasserfahrzeugs erreichen.
-
Um die zu beprobende Gasmenge, welche in den Probenraum verbracht wird zu erhöhen, kann in vorliegender Ausgestaltung am Heck ein Konzentrator, insbesondere ein Trichter, angeordnet sein, welcher in den Konzentrator gelangte Gasblasen zur Probenentnahmevorrichtung und somit zum Probenraum leitet. Somit kann nicht nur die Menge des Gases im Probenraum erhöht, sondern auch das Eindringen von umgebenden Wassers minimiert werden, da dieses im Allgemeinen nicht vertikal nach oben strömt.
-
Bei einem „Konzentrator“ kumulieren sich die Gasblasen insbesondere in einer Spitze. Somit kann erst eine Zeit lang abgewartet werden, bis sich eine ausreichende Menge Gas im Konzentrator gesammelt hat, bevor das Öffnen zum Probenraum erfolgt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Probenraum wenigstens teilweise durch eine wiederverschließbare Durchstechmembran gebildet und ist der Durchstechmembran eine Kanüle zugeordnet, wobei die Kanüle und die Durchstechmembran zueinander derart ausgestaltet sind, dass durch ein Einstechen der Kanüle durch die Durchstechmembran die Gasblasen oder entsprechend die im Konzentrator gebildete Gasblase, über die Kanüle den Probenraum zuführbar sind oder ist.
-
Eine „Kanüle“ ist im Wesentlichen ein rohrförmiges Gebilde, welches im Allgemeinen eine Spitze aufweist, welche eine Membran durchdringt. Zudem kann die Kanüle in dem hinteren Bereich ebenfalls einen Kanülenkonzentrator aufweisen, sodass Gas vom Konzentrator über das rohrförmige Gebilde zur Spitze geleitet wird. Befindet sich nach dem Einstechen die Spitze der Kanüle im Probenraum, so umschließt die Durchstechmembran das rohrförmige Gebilde und lediglich gewünschte Proben werden in den Probenraum über die Kanüle verbracht.
-
Die „Durchstechmembran“ ist ein Gebilde, welches durch die Kanüle durchdrungen werden kann. Die Durchstechmembran kann beispielsweise durch einen Kunststoff oder Gummi definierter Dicke gebildet werden, insbesondere das Verwenden von elastischen Kunststoffen gewährleistet, dass lediglich Proben über die Kanüle in den Probenraum gelangen. Sofern die Kanüle aus der Durchstechmembran wieder herausgezogen wird, verschließt der elastische Kunststoff oder die Gummischicht sich wieder und die Probe ist im Probenraum abgeschlossen.
-
Besonders bevorzugt ist die Durchstechmembran als Silikonkissen ausgestaltet. Durch diese Silikonkissen kann leicht eine Kanüle durchgeführt werden. Derartige Silikonkissen haben die Eigenschaft nach dem Herausziehen der Kanüle das entstandene Loch wieder zu verschließen. Insbesondere wenn das Herausziehen der Kanüle ausreichend langsam erfolgt, kann ein Verschließen des Loches gewährleistet werden.
-
Um möglichst schnell und möglichst ohne Kontamination eine Probe zu ziehen, kann der Probenraum ein Vakuum aufweisen.
-
Als Vakuum wird allgemein ein luftleerer Raum verstanden. Vorliegend wird jedoch bereits von einem Vakuum gesprochen, sofern die Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase im Probenraum gegenüber einem Normaldruck unterhalb von 500 hPa, insbesondere unterhalb von 200 hPa und ganz besonders bevorzugt unterhalb von 100 hPa liegt. Wesentlich dafür, dass ein Vakuum vorliegt, ist, dass bei einem Verbinden des Probenraums mit einem Umgebungsgas der Umgebungsluft dieses Umgebungsgas in den Probenraum aufgrund der Druckunterschiede gelangt.
-
In einer ausführungsform des Unterwasserfahrzeugs ist dem Probenraum ein Überdruckventil zugeordnet, sodass in einer Tiefe aufgenommenes Gas der Gasblasen bei einem Auftauchen aus dem Probenraum abgelassen werden.
-
Dies kann beispielsweise durch die Öffnung in der elastischen Blase realisiert werden, da bei Überdruck im Probenraum das Verschließen der Öffnung durch die elastische Wirkung des die elastische Blase bildende Materials nicht mehr gewährleistet werden kann.
-
Damit die Probennahme vor Ort gezielt erfolgen kann, kann das Unterwasserfahrzeug einen Gasblasendetektor aufweisen. Dieser Gasblasendetektor kann ein chemischer Sensor sein, wobei bevorzugt ein aktives Sonar, beispielsweise im Bug des Unterwasserfahrzeugs, angeordnet ist. Bei einem derartigen aktiven Sonar werden Unterwasserschallwellen ausgesandt und mittels Unterwassermikrofonen entsprechend zurückreflektierte Unterwasserschallsignale empfangen. Durch die Analyse der empfangenen Unterwasserschallsignale kann auf Strukturen im Wasser und somit auch auf Gasblasen im Wasser geschlossen werden. Auch kann ein optischer Sensor (z.B. eine Kamera) eingesetzt werden, deren Bild beispielsweise mittels eines neuronalen Netzwerks ausgewertet wird. Auch eine Kombination von Sensoren ist möglich, wobei beispielsweise Daten des optischen Sensors die Sonardaten korrigiert.
-
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Probennahme von Gasblasen unter Wasser mittels eines zuvor beschriebenen Unterwasserfahrzeugs. Mit den Schritten
- - vertikales Ausrichten des Wasserfahrzeugs mittels des Unterwasserantriebs und der Steuereinrichtung, sodass das Heck bodenwärts ausgerichtet ist,
- - Öffnen des Probenraums, sodass aufsteigende Gasblasen in den Probenraum gelangen und
- - anschließendes Schließen des Probenraums, sodass der Probenraum eine Gasblasenprobe aufweist.
-
Wie bereits beschrieben kann durch die vertikale Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs eine Störung, welche sich beispielsweise aufgrund des Unterwasserantriebs ergibt, minimiert werden. Zudem kann, insbesondere wenn ein Konzentrator heckseitig vorgesehen ist, die Probenqualität erhöht werden. Unter „Probenqualität“ ist sowohl die Anzahl oder die Menge der zu beprobenden Gase, aber auch entsprechende Dauer einer Probennahme zu verstehen.
-
Insbesondere können, beispielsweise mittels des aktiven Sonars, Gasblasen detektiert werden. Sobald mithin die Detektion und Lokalisation erfolgt ist, kann an die Stelle, an der die Gasblasen aus dem Meeresboden austreten, das Unterwasserfahrzeug verfahren werden. Das vertikale Ausrichten kann dabei beim Anfahren gestartet und beim Positionieren oberhalb des Austritts der Gasblasen beendet werden. Auch ein zuvor abgeschlossenes vertikales Ausrichten des Unterwasserfahrzeugs kann erfolgen und, sofern der Unterwasserantrieb entsprechend ausgelegt ist, das Unterwasserfahrzeug in dieser vertikalen ausgerichteten Ausrichtung über den Meeresboden zur Probenentnahmestelle verfahren werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
- 1 eine stark schematische Darstellung eines horizontal ausgerichteten AUVs, welches in ein vertikal ausgerichtetes AUV überführt (a→b) wird mit einer vergrößerten Darstellung eines Probennehmers.
-
Ein AUV (autonomous underwater vehicle) 101 weist einen AUV-Körper 103, ein Heck 105 und einen Bug 107 auf. Mittig um den AUV-Körper 103 herum sind vier Propeller 109 seitlich angeordnet. Im Heck 105 des AUVs 101 ist ein Trichter 123 angeordnet, der sich vom Heck 105 in Richtung Bug 107 verjüngt. Am Ende des Trichters 123 ist ein Probennehmer 111 angeordnet.
-
Der Probennehmer 111 weist einen Probenraum 121 auf, welcher durch ein Silikonkissen 119 verschlossen ist. Der Probenraum 121 wurde zuvor evakuiert. Der Druck im Probenraum 121 beträgt 200 hPa. An dem Probennehmer 111 ist ein Gelenk 113 mit einem Arm 115 angeordnet, an dessen Ende eine Kanüle 117 vorgesehen ist. Dem Gelenk 113 und dem Arm 115 ist ein Stellmotor (nicht dargestellt) zugeordnet, welcher angesteuert den Arm 115 und somit die Kanüle 117 von der Position c.) in die Position d.) und somit von einer Schließposition zu einer Probenöffnungsposition überführt. Beim Überführen durchsticht die Kanüle 117 das Silikonkissen 119. Die Spitze der Kanüle 117 ragt anschließend in den Probenraum 121 und die Rückseite der Kanüle 117 ist mit dem Trichter 123 verbunden, sodass dort befindliches Gas über die Kanüle 117 in den Probenraum 121 gelangt.
-
Vorliegend sollen aus dem Meeresboden 133 Gasblasen 131 austreten. Aufgrund der Dichteunterschiede steigen diese Gasblasen 131 vertikal nach oben auf.
-
Weiterhin soll sich das AUV 101 horizontal ausgerichtet entlang des Meeresbodens 133 bewegen. Dabei sensiert das Aktivsonar 141 im Bug 107 des AUVs 101 die Umgebung. Sobald reflektierte Schallwellen die Gasblasen 131 als solche detektieren - dies wird insbesondere mittels Mustererkennung verifiziert - richtet sich das AUV 101 durch unterschiedliches Ansteuern der Propeller 109 vertikal nach oben aus [Übergang von a.) zu b.)]. Sobald das AUV 101 vertikal oberhalb der Austrittsposition der Gasblasen 131 ausgerichtet ist, verbleibt das AUV 101 für einige Minuten an dieser Position.
-
Während dieser Zeit sammeln sich die Gasblasen 131 in der Spitze des Trichters 123. Anschließend wird die Kanüle 117 aus der Schließstellung c.) durch Rotation mittels Stellanntrieb in die Offenstellung d.) verfahren. Somit wird eine Verbindung des Trichters mit dem Probenraum 121 realisiert.
-
Die Gasblasen 131 strömen in den Probenraum 121 und nach einiger Zeit wird mittels Verfahren des Armes 115 über das Gelenk 113 die Kanüle aus dem Silikonkissen 119 langsam herausgezogen, dabei verschließt sich das Silikonkissen 119 und in dem Probenraum 121 befindet sich das Gas, welches die Gasblasen 131 gebildet hat.
-
Dieses Gas kann direkt analysiert werden (beispielsweise mittels Raman- oder IR-Detektor) oder das AUV 101 fährt mit der Probe an die Oberfläche und der Probenraum 121 wird unter Laborbedingungen geöffnet und einer Messung zugeführt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- AUV (autonomous underwater vehicle)
- 103
- AUV-Körper
- 105
- Heck
- 107
- Bug
- 109
- Propeller
- 111
- Probennehmer
- 113
- Gelenke
- 115
- Arm
- 117
- Kanüle
- 119
- Silikonkissen
- 121
- Probenraum
- 123
- Trichter
- 131
- Gasblasen
- 133
- Meeresgrund
- 141
- Aktivsonar
