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Zu den wesentlichen Aufgaben des Schiffes zählt, im mittleren pazifischen Ozean in Tiefen von bis zu 5.000 m die Leitfähigkeit, Temperatur und den gelösten Sauerstoff zu messen. Dabei wird eine etwa 900 kg schwere, so genannte CTD (Conductivity, Temperature, Depth)-Rosette vom Deck des Schiffes ins Wasser abgesenkt. Zusätzlich zu den empfindlichen Druck- und Temperatursensoren enthält die Rosette unter anderem 24 Flaschen, die in unterschiedlichen Tiefen Wasserproben nehmen.
Im Jahr 2019 entschied sich das Marine Center der Universität von Hawaii, das CTD Launch and Recovery System (LARS) der Kilo Moana auf ein neues Design mit aktiver Seegangskompensation (AHC) umzurüsten. Dieses System erhält von der Bewegungsreferenzeinheit (MRU) des Schiffes Informationen über die Wellenbewegung. Um diese zu kompensieren, passt es die Windenmotoren an. Die präzisen, Hunderte Male pro Sekunde vorgenommenen Anpassungen der Windenspannung halten die Rosette in Bezug auf den Meeresboden stabil, während sich das Schiff auf und ab bewegt.
Frequenzumrichter ACS880 mit integrierter AHC
Für den Antrieb der Winde lieferte ABB einen Frequenzumrichter ACS880 an das kanadische Unternehmen Hawboldt Industries, das sich auf Konstruktion und Herstellung von Decksausrüstung für Ozeanforschungsschiffe spezialisiert hat. Laut Dylan Wells, Geschäftsführer von Hawboldt Industries, ist eine aktive Seegangskompensation für CTD-Operationen unverzichtbar, da sie die Spannungsspitzen der Kabel minimiert und es der Rosette ermöglicht, sicher und zuverlässig Proben zu nehmen. Besonders wichtig ist dies bei rauem Seegang, wenn die Wellen bis zu vier Meter hoch werden und es zu erheblichen Roll-, Stampf- und Hebungsbewegungen des Schiffes kommt.
Die AHC ermöglicht darüber hinaus einen schnelleren und stärker kontrollierten Einsatz, indem eine gleichmäßige Kabelspannung beibehalten wird und so ein Durchhängen des Kabels und Spannungsspitzen vermieden werden. Ein lockeres Kabel könnte hängenbleiben oder sich verknoten, was zu großen Schäden führen kann, die den Austausch des langen Kabels erforderlich machen. Hohe Kosten für Ersatzausrüstung und verlorene Schiffszeit sind die Folge.
»Ein Windenantrieb ist ein integraler Bestandteil unserer Ausrüstung. Der Frequenzumrichter ACS880 ist einzigartig, da er mit AHC-Funktionalität geliefert wird, die als Firmware integriert ist«, sagte Wells. »Daher mussten wir weder die Systemarchitektur ändern noch uns mit den Kosten und der Komplexität der Installation eines externen AHC-Steuerungssystems befassen. So mussten wir den Frequenzumrichter nur an die MRU anschließen und einschalten.«
Entnahmezeiten um rund 30 Prozent reduziert
Die Kilo Moana unternahm Anfang 2020 mit dem CTD-Kran und der Winde erfolgreiche Tests auf See. Diese bestätigten, dass die AHC gute Dienste erbrachte, indem sie die Ruckbelastung des Windenseils durch schnelles Ansprechen und sanfte Übergänge reduzierte. Ein zusätzlicher Bonus ist, dass es den Wissenschaftlern gelang, Wasserproben in Tiefen von bis zu 5.000 m präzise zu nehmen.
Auch die Entnahmezeiten der Proben sind deutlich reduziert. Vom Einsatz bis zur Einholung wurden sie von 45 Min. auf 30 Min. verkürzt. Dies ist wichtig, da die Kilo Moana oft bis zu fünf Entnahmen pro Tag durchführen kann. Mit dem neuen Hawboldt-System erreicht sie eine durchschnittliche Ausschüttungsgeschwindigkeit von 60 m/min – während die tatsächliche Kabelgeschwindigkeit an der Winde je nach Seegang zwischen 0 m/min und 130 m/min variiert.
Wissenschaftler befürworten das neue CTD-System
Die Kilo Moana verbringt zwischen 200 und 250 Tagen auf See mit Einsätzen, die von wenigen Tagen bis zu einem Monat dauern können. Eine der regelmäßigen Missionen ist die »Hawaii Ocean Time Series«, bei der seit Oktober 1988 an einer Station nördlich von Oahu wiederholt Beobachtungen durchgeführt werden. Das Ziel ist es, den CO2-Gehalt des Meerwassers als Maß für das Fortschreiten des Klimawandels zu untersuchen.
Für Scott Ferguson, Director for Marine Technical Service der Universität von Hawaii, hat die neue CTD-Winde und der neue Kran echte Vorteile gebracht: »Die Entnahme von CTD-Proben ist eine wesentliche Aufgabe der Kilo Moana, die mit Kosten von etwa 50.000 $ (etwa 41.000 €) pro Tag auf See verbunden ist. Wenn wir nicht arbeiten können, weil das Meer zu rau ist, sind das große finanzielle Einbußen. Der Vorteil unseres neuen Krans mit AHC besteht darin, dass auch eine Probennahme bei vier Meter hohen Wellen sicher und präzise möglich ist. Daher ist das System bei unseren Wissenschaftlern beliebt. Unsere Mannschaft an Deck schätzt es wegen seiner Zuverlässigkeit und einfachen Bedienung.«
