Der Beginn der Tiefseeforschung
(Entwickelt von Anita Biller und Tine Hohmann)
Im Rahmen des Wissenschaftsjahr 2016/2017 „Meere und Ozeane“ wurde die Forschung in diesem Wissenschaftsgebiet weltweit gefördert. Darüber hinaus organisierten Partner, wie das Deutsche Museum, insgesamt über 1000 Veranstaltungen zu diesem Themengebiet.
Als Pioniere der Meeresforschung, gingen Jacques Piccard und Don Walsh mit dem ersten Besuch der tiefsten Stelle der Weltmeere in die Geschichte ein. Am 23. Januar 1960 tauchten die Forscher in dem Bathyscaph "Trieste" zum Grund des Marianengrabens auf fast 11000 Meter ab.
Im Folgenden wird beschrieben, wie das Erreichen von enormen Höhen den Besuch von bisher unerreichten Tiefen ermöglichte.
Stratosphärenballon FNRS-1
Stratosphärenballon FNRS-2
Der Bathyscaph Trieste
Aufbau der Trieste
Funktion der Trieste
Funktionsprinzip der Benzintanks
Historischer Rekordtauchgang
Als praktischer Mann widmete sich der Schweizer Astrophysiker Auguste Piccard der Beweisfindung für unzureichend bewiesene Theorien.
Mit dem Ziel Victor Hess’ Theorie, die besagt, dass die Kosmische Strahlung aus der Erdatmosphäre kommt, zu beweisen, entwickelte Auguste Piccard Methoden um Messungen in immer größeren Höhen durchzuführen.Um Messungen in einer Höhe durchzuführen, die bisher nicht durch normale Ballons erreicht werden konnte und in der die Piloten ungeschützt nicht überleben könnten, entwickelte Auguste Piccard eine Druckkapsel, in der ein Aufstieg bis in die Stratosphäre möglich sein sollte.
Der entstehende Stratosphärenballon FNRS-1 sollte weltweit Aufmerksamkeit erregen und wurde später durch die NASA mit den Rekorden „Weltweit erster Aufstieg in die Stratosphäre“ und dadurch auch „Erstes Raumschiff“ und „Erste bemannte Raumfahrt“ ausgezeichnet.
Um das teure Projekt in die Realität umsetzen zu können, wurde Piccard von der belgischen Gesellschaft „Fonds National de la Recherche Scientifique“ (kurz: FNRS) gefördert, die es sich zur Aufgabe gemacht hatte, zuerst die belgische und später auch die internationale Wissenschaft ohne Beschränkung des Glaubens, politischer Einstellung und Meinung der verschiedenen Forscher zu unterstützen: Einige der namhaftesten Projekte seit Gründung sind in der FNRSnews 94 vorgestellt.
Die FNRS-1 stieg am 27. Mai 1931 als „fliegendes Labor“ auf eine Höhe von 15.785 Metern. Die Piloten, Auguste Piccard und sein Assistent Paul Kipfer, konnten auf ihrer Fahrt durch die Messung der Kosmischen Strahlung die Theorie Hess’ verifizieren.
Auf weiteren Aufstiegen konnte der davor aufgestellte Rekord gebrochen werden. Am 18. August 1932 wurde eine Höhe von 16.940 Metern erreicht; im August 1934 wurde von Hour in den belgischen Ardennen bis Slowenien eine Strecke von 1800 km zurückgelegt.
Mitte der 1930er erreichte Piccard mit einem verbesserten Stratosphärenballon die 23000 Meter Marke.
Der aktuelle Höhenrekord für einen Ballon mit Fluggondel liegt bei einer Höhe von 38969,4 Meter und wurde am 14.Oktober 2012 durch den Österreicher Felix Baumgartner aufgestellt.
Die Faszination für Ballone und den Wunsch das Unmögliche zu erreichen bleibt in der Familie Piccard. Augustes Enkel Bertrand Piccard stieg am 1.März 1999 mit Brian Jones im Ballon „Breitling Orbiter 3“ auf und landete am 21. März nach der ersten erfolgreichen Umrundung der Erde.
Auguste Piccard in Fluggondel des Stratosphärenballons
Bald erkannte Auguste Piccard, dass das Prinzip zum Aufsteigen in die Stratosphäre und das des Abtauchens in die Tiefsee gleich sind.
1939 began Piccard mit Experimenten zur Erforschung des Tiefendrucks um die Druckkapsel und die Funktion des Stratosphärenballons unter Wasserdruck erproben zu können. Unterbrochen durch den zweiten Weltkrieg wurde die Forschung erst 1947 fortgesetzt.
Um die Forschung weiterzutreiben, baute Piccard das erste Tiefseetauchboot bzw. Bathyscaph (griechisch: bathos: Tiefe; skaphos: Schiff) mit dem Namen FNRS-2.
Der Bathyscaph FNRS-2 wies eine große Ähnlichkeit zum Stratosphärenballon FNRS-1, nach dessen Vorbild er gebaut wurde, auf.
Vergleich FNRS-1 und FNRS-2
| FNRS-1: Stratosphärenballon | FNRS-2: Tiefseetauchboot | |
| Schwebekörper | 30 Meter Durchmesser | 3,5 Meter Durchmesser |
| Hülle | dünner gummierter Stoff | dünnes Stahlblech |
| Inhalt | 14130 l Wasserstoff | 125 l Leichtbenzin |
| Gondel | 2,1 Meter Durchmesser | 2,0 Meter Durchmesser |
| Hülle | Kugel mit 3,55 mm dickem Aluminiumblech | Kugel mit 12 cm dickem Stahl |
| Gewicht | 136 kg | 14 Tonnen |
Die Größe des Schwebekörpers musste der Eigenschaft der Umgebung und des Inhalts angepasst werden. Wäre der Schwimmkörper der FNRS-2 mit einem Stoff gefüllt gewesen, der im Wasser für weniger Auftrieb als Leichtbenzin sorgt, hätte der Schwimmkörper ähnlich wie bei der FNRS-1 um ein vielfaches größer als die Gondel sein müssen.
Die FNRS-2 wird für einen Testtauchgang in das Wasser gehoben
Mit verschiedenen Messgeräten, besonders zur Messung der Kosmischen Strahlung, ausgestattet, wurde die FNRS-2 am 26. Oktober 1948 (laut FNRSnews am 30.Oktober 1948) zum ersten Mal getestet. Der Tauchgang nahe Dakar, Senegal, endete bei nur 25 Metern. Bei einem weiteren Tauchgang am 3. November nahe der Kap Verde Inseln sank die FNRS-2 auf eine Tiefe von 1380 Metern und wurde bei dem Prozess beschädigt.
Da die bis dahin erzielten Testergebnisse der FNRS-2 wenig zufriedenstellend waren, wurde sie nach ihrer Beschädigung an die Französische Marine verkauft. Auguste Piccard verlies darauf das Projekt, stand aber der Französischen Marine als Berater weiterhin zur Verfügung. Der Bathyscaph wurde repariert, modernisiert und später als FNRS-3 erfolgreich getestet. Der bedeutendste Tauchgang der FNRS-3 fand am 15. Februar 1954 im Atlantik bei Dakar, Senegal, statt und erreichte eine Tiefe von 4000 Metern.
Der Bathyscaph Trieste
Zeitgleich zum Umbau der FNRS-2 durch die Französische Marine arbeitete Auguste Piccard mit seinem Sohn Jacque Piccard als Partner an einer eigenen Weiterentwicklung des ersten Bathyscaphs.
Die Trieste wurde zum größten Teil innerhalb der damaligen Republik „Freies Territorium Triest“ erbaut, durch die der Bathyscaph auch den Namen erhielt. Am 26. August 1953 lief sie nahe der Insel Capri vom Stapel. Im Auftrag der Navy wurde die Trieste 1958 vom „Office of Naval Research“ gekauft um sie für ihren historischen Moment vorzubereiten.
Die Trieste nach dem Umbau durch die U.S. Navy
Der Bathyscaph besteht aus zwei Hauptkomponenten: Dem Schwimmkörper und der Tauchgondel.
Der Schwimmkörper
Der 18 Meter lange Schwimmkörper hat einen Durchmesser von 3.5 Metern. Darin befinden sich Tanks mit verschiedenen Funktionen:
Den größten Raum nehmen die Benzintanks ein, in denen 125 l Leichtbenzin für Auftrieb sorgen.
Aufbauplan der Trieste
An Heck und Bug befindet sich je ein Wasserballasttank, der vor dem Tauchgang mit Luft gefüllt den Bathyscaph über Wasser hält und während des Tauchgangs mit Wasser geflutet wird. Die Wasserballasttanks sind mit den Benzintanks verbunden, sodass das Wasser in direkten Kontakt mit dem Leichtbenzin tritt. Ventile überhalb der Wasserballasttanks sorgen für einen Druckausgleich mit dem Umgebungsdruck. Durch den ständigen Druckausgleich reicht ein dünnes Stahlblech als Außenwand für den ganzen Schwimmkörper.
Als weiterer Ballast sind links und rechts der Tauchgondel zwei mit Eisenschrot gefüllte Schrotballasttanks angebracht.
Steuerungsmagnete, die an den verschiedenen Tanks angebracht sind, bieten den Piloten durch Öffnung und Schließung der Tanks Kontrolle über den Tauchgang. Eine weitere Kontrolle bieten zwei Propeller an der Oberseite des Schwimmkörpers, die von je einem Elektromotor mit einer Stärke von 2 PS angetrieben werden. Mit den Propellern sollten kleine Lagekorrekturen ermöglicht werden.
Die Tauchgondel
Im Gegensatz zum Schwimmkörper darf es bei der Tauchgondel zu keinem Druckausgleich kommen. Bei einer Tiefe von 11 km herrscht ein Höhendruck von 1100 bar. Das ist so viel, als würde auf einer 1-Cent-großen Fläche der Außenwand ein Gewicht von 2,2 Tonnen lasten. Um diesem Druck standhalten zu können muss eine hermetisch geschlossene Kugel mit einer 13 cm dicken Stahlwand konstruiert werden. Mit einem Durchmesser von 2 Metern hat die Tauchgondel dadurch ein Gewicht von 12 Tonnen.
Die Form der Kugel bietet dem Druck die geringste Angriffsfläche, da dieser gleichmäßig verteilt werden kann. Auguste Piccard führte dazu mehrere Hochdruckversuche mit Modellkugeln in verschiedenen Maßstäben, mit verschiedenen Wanddicken und verschiedenen Möglichkeiten zur Fensterinstallation durch.
Die Schwachstelle der Tauchgondel ist das Fenster und dessen Wanddurchführung. Bei Hochdruckversuchen musste Auguste Piccard feststellen, dass Quarzglas die steigende Druckbelastung übersteht, aber bei nachlassendem Druck Sprünge entstehen. Ein Auftauchen wäre damit unmöglich. Für weitere Versuche und später beim Original benutzte Auguste Piccard das damals neuartige Material Plexiglas.
Das Fenster wird in Form eines stumpfen Kegels angefertigt. Die Grundfläche des Kegels zeigt nach außen während die Fassung der Wanddurchführung dem Umfang der „stumpfen Spitze“ angepasst ist. Dadurch kann bei steigendem Druck das Fenster nicht eingedrückt werden; es wird fester gegen die Kabinenwand gepresst.
Originale aus Auguste Piccards Hochdruckversuchen wie auch der mit Replika vervollständigte Fehlguss der Druckkugel können im Deutschen Museum, München, mit technischen Erklärungen betrachtet werden.
Im Gegensatz zu modernen unbemannten Tauchfahrzeugen, den ROVs (Remotely Operated Vehicle) so wie die MARUM-QUEST der Research Faculty Universität Bremen, die trotz des zunehmenden Drucks tauchen können, funktionierte der Bathyscaph gerade wegen des sich stetig verändernden Drucks durch ein rein mechanisches Prinzip.
Abtauchen
Der Bathyscaph wird über Wasser gehalten, indem der Schwimmkörper mit leichteren Stoffen als Wasser gefüllt ist: Leichtbenzin in den Benzintanks und Sauerstoff in den Wasserballasttanks.
Durch Öffnung der Ventile entweicht der Sauerstoff aus den Wasserballasttanks. Das hineinflutende Wasser beschwert den Bathyscaph bis dieser zu sinken beginnt. Durch dieses Prinzip ist ein Abtauchen möglich und endet an einem Punkt des Höhendrucks, an dem die Auftriebskraft des Leichtbenzins im Gleichgewicht mit der hinunterziehenden Schwerkraft steht. Die beiden in entgegengesetzte Richtungen ziehende Kräfte bringen den Bathyscaph zum Schweben.
Um tiefer tauchen zu können, muss also das Volumen des Leichtbenzins reduziert werden ohne es abzulassen, da dies zum Auftauchen benötigt wird. Kleine Öffnungen in den Benzintanks sorgen dafür, dass das Leichtbenzin im direkten Kontakt mit dem Meereswasser steht. Durch die Öffnungen an der Unterseite und Ventile an der Oberseite herrscht innerhalb der Tanks der Umgebungsdruck, der Auswirkungen auf das Leichtbenzin hat. Steigt der Druck, so wird das Leichtbenzin allmählich komprimiert und bietet dem Wasser immer mehr Volumen um den Bathyscaph stärker zu belasten.
Auftauchen
Um den Vorgang des Auftauchens einzuleiten, muss das Gewicht des Bathyscaphs reduziert werden. Elektromagnetische Verschlüsse unterhalb der Schrotballasttanks können geöffnet werden um Eisenschrot abzulassen.
Während der Bathyscaph steigt, wirkt graduell immer weniger Druck auf das Leichtbenzin. Dieses kann sich langsam wieder ausdehnen und verdrängt dabei Wasser, das aus den Tanks gedrückt wird und somit das Gesamtgewicht des Bathyscaphs reduziert.
Je höher der Bathyscaph steigt, desto schneller wird der Prozess. Um Abzubremsen und eine gleichbleibende Anstiegsgeschwindigkeit zu erhalten, kann ein wenig Leichtbenzin abgelassen werden.
Da die Wasserballasttanks weiterhin unter Wasser stehen, kann der Bathyscaph nicht vollständig auftauchen. Mit einem Kran wird er aus dem Wasser gehoben.
Im Falle eines Stromausfalls öffnen sich die elektromagnetischen Verschlüsse der Schrotballasttanks automatisch und leiten als Fail-Safe-Mechanismus ein schnelles und unkontrolliertes Auftauchen zur Rettung der Passagiere ein.
Das Prinzip des Wasserballast- und Schrotballasttanks eines Bathyscaphs. Die Beschwerung und der darauf folgende Ballastabwurf sind nicht ausreichend um den Bathyscaph in größere Tiefen tauchen zu lassen. Das Prinzip der Benzintanks wird im folgenden Experiment veranschaulicht.
Experiment zum Funktionsprinzip der Benzintanks
Animation: Cartesischer Taucher
Das Steigen und Sinken eines Körpers, dessen Inhalt direkten Kontakt zu der äußeren Umgebung hat, lässt sich durch den Cartesischen Taucher visualisieren.
Der Cartesische Taucher entspricht dem Schwimmkörper des Bathyscaphs; der Sauerstoff, mit dem der Taucher zur Hälfte gefüllt ist, entspricht dem Leichtbenzin; das Wasser entspricht dem Meereswasser. Bei der Plastikflasche und dem Deckel handelt es sich um ein Beiwerk, das dazu benötigt wird um Druck auszuüben. Der Deckel wird benötigt, damit das Wasser bei Druckausübung nicht aus der Flaschenöffnung austritt.
Im Original wird der Druck durch das Lagegewicht des Wassers erzeugt. Drückt man die Wände der Flasche zusammen, steigt der Druck innerhalb dieser. Da das Wasser nicht aus der verschlossenen Flasche austreten kann, wird der Sauerstoff innerhalb des Cartesischen Tauchers komprimiert um dem Wasser Platz zu bieten und Wasser wird in den Hohlraum des Tauchers eingezogen. Der Taucher wird durch das Wasser schwerer, wodurch er sinkt. Lässt der Druck an der Flaschenwand nach, dehnt sich der Sauerstoff wieder aus und verdrängt das Wasser aus dem Taucher; der Taucher wird leichter und steigt wieder.
Der Rekordtauchgang der Trieste
Vorbereitungen
1957 wurde die Trieste im Auftrag der U.S. Navy sorgfältig durch eine Gruppe von Meeresforschern, bestehend aus einem Biologen, einem Akustiker und einem Meeresgeologen, auf ihre Tauglichkeit für die Forschung untersucht.
Als die Trieste 1958 nach positivem Bericht der Forscher von dem Office of Naval Research (im Auftrag der U.S. Navy) gekauft wurde, nahm man bereits an, dass die Trieste nach einer Verbesserung theoretisch jede erdenkliche Tiefe im Ozean erreichen könnte.
Der historische Tauchgang war nicht nur ein Rekordversuch und der Beweis dafür, dass der Mensch fähig war, die Meere unter schwierigsten Umgebungsbedingungen zu erforschen, sondern auch der Versuch, ein Grundverständnis über das Verhalten von Temperatur, Druck und Schall in dieser Tiefe zu gewinnen. Letztendlich hatte die Trieste jedoch keine wissenschaftlichen Geräte an Bord. Es wurden keine Experimente durchgeführt oder Proben genommen.
Die Vorbereitungen zum Tauchgang verliefen unter dem Codenamen „Project Nekton“ hinter verschlossener Tür. Zu Zeiten des technologischen Wettstreits im Kalten Krieg konnten sich die U.S.A. keinen Fehlschlag in einem weiteren wissenschaftlichen Gebiet leisten, nachdem mehrere Raketenstarts mit Satelliten an Bord fehlgeschlagen waren.
Der Plan war, dass die Existenz des Projekts verschwiegen werden würde, sollte die Trieste verunglücken. Trotz sorgfältiger Geheimhaltung kamen Journalisten dreier Magazine an Informationen. Im Gegenzug dafür, dass diese erst nach dem Tauchgang berichten würden, wurden sie mitgenommen. Das bekannte Foto von Jacque Piccard und Don Walsh in der Tauchgondel wurde von einer Kamera geschossen, die vom Life Magazin angebracht wurde. Die Piloten schossen das Foto als sie am tiefsten Punkt angekommen waren.
Lieutenant Don Walsh, USN, and Jacques Piccard in the bathyscaphe Trieste
Die Besatzung der Trieste bestand aus Jacque Piccard, Sohn von Auguste Piccard, der mit seinem Vater die Trieste erbaut und als Physiker ein wissenschaftliches Interesse an dem Tauchgang hatte und dem U.S. Navy Lieutenant und U-Boot-Offizier Don Walsh. In einem Interview mit David Maxwell Braun berichtet Walsh, dass er zufällig zu dem Projekt kam, da er beim Auftrag unter sämtlichen U-Boot Besatzungen im östlichen Pazifik zwei freiwillige Personen zu finden lediglich einen fand und sich dadurch selbst als zweiten Freiwilligen anbot.
Als Ort für den Tauchgang zu einer der tiefsten Stellen der Erde wurde das Challenger Tief des Marianengrabens im Pazifik südwestlich von Guam ausgewählt. Dieses wird als tiefste Stelle der Erde bezeichnet. Um das Challenger Tief ohne Hightech-Sonar zu finden, wurden gezielt Sprengungen unter Wasser ausgelöst und die Zeit bis zum Eintreffen des Echos gemessen. Da der Bathyscaph nur auf- und absteigen, aber nur wenig und sehr langsam lenken kann, war es essentiell für das Gelingen des Projekts, dass die Trieste direkt über dem Challenger Tief abgekoppelt wird.
Tauchgang
Am 23. Januar 1960 wurde die Trieste mit den Piloten Jacque Piccard und Don Walsh durch den Hochseeschlepper „Wandank“ über dem Challenger Tief positioniert.
Das Abtauchen dauerte knapp 5 Stunden, in denen die Piloten für einen kontrollierten Tauchgang die mit der Tiefe steigende Geschwindigkeit ständig auf 1-2 Meter pro Sekunde anpassen mussten.
Walsh berichtet in mehreren Interviews, dass auf ca. 9500 Meter ein lauter Krach zu hören war. Bei dem dort herrschenden Höhendruck, wäre die Besatzung laut Walsh bei einem Riss in der Druckgondel sofort „zu Marmelade zerquetscht worden“. Da nach einer Kontrolle der Anzeigen und Messgeräte sowie der Innenseite der Tauchgondel nichts auffälliges gefunden werden konnte, führten Piccard und Walsh den Tauchgang fort. Auf 10916 Meter (Offizielle Angabe des Office of Naval Research. Die erreichte Tiefe variiert je nach Quelle, da es bei der Berechnung der Tiefe zu Fehlern kam.) blieb die Trieste mit einem kleinen Sicherheitsabstand knapp vor dem Meeresgrund stehen.
Während die Piloten wirbellose Tiere so wie Quallen in der Tiefe erwartet hatten, konnten sie Arten von Garnelen beobachten. Piccard berichtet zusätzlich auf dem Meeresgrund einen Plattfisch gesehen zu haben. Da es keine Beweisaufnahmen gibt, gilt die Beobachtung heute noch als ungesichert. Nach nur 20 Minuten leiteten Piccard und Walsh den Prozess des Auftauchens ein. Nach ungefähr 3 Stunden und 15 Minuten kam die Trieste knapp unterhalb der Wasseroberfläche an.
„Rolex presents: Deepest Dive - The Story of the Trieste“
Ein Dokumentarfilm über die Trieste mit Original Video- und Fotomaterial sowie Interviews. Um Video zu starten, bitte das Bild anklicken.
Der historische Moment der Trieste wurde in kürzester Zeit weltweit bekannt, geriet jedoch schnell wieder in Vergessenheit, da eine Steigerung des Erreichten weder möglich noch rentabel war. Der Wettlauf der Technologie brachte einen Erfolg nach dem anderen und nur ein Jahr später drang der Kosmonaut Juri Gagarin mit der Wostok 1 als erster Mensch in den Weltall ein.
Das Challenger Tief wurde erst im Jahre 2012 wieder aufgesucht. Der Regisseur James Cameron tauchte bis zum Meeresgrund, wo er sich mit dem modernen Bathyscaph DEEPSEA CHALLENGER vorwärts bewegen konnte um 3D Aufzeichnungen vom Meeresgrund zu machen und Proben zu nehmen.
Mit insgesamt drei Personen hatte das Challenger Tief, die tiefste erreichbare Stelle der Erde, bis heute weniger Besucher als der Mond.