Kabel
Leitung sagt Seebeben voraus
Das von der EU geförderte Forschungsprojekt Focus will zur Früherkennung den Meeresboden via Glasfasern überwachen. Lapp liefert dafür eine Sonderleitung, die diesen innovativen Ansatz erst ermöglicht.
Das Forschungsprojekt Focus zielt darauf ab, Bewegungen am Meeresboden frühzeitig zu erkennen. Dies soll durch die enge Zusammenarbeit führender Universitäten aus Frankreich, England, Italien und Deutschland sowie privater Unternehmen realisiert werden. Zu den beteiligten Firmen gehört das französische Unternehmen IDIL Fibres Optiques, ein Spezialist für Laser- und Glasfasertechnologien.
IDIL beauftragte Lapp mit der Lieferung eines speziell für das Projekt entwickelten Hochleistungskabels. Die technologische Grundlage für die innovative Methode zur Erkennung von Seebeben bildet die optische Laserreflektometrie (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR), die bisher vor allem zur Überwachung von Bauwerken wie Brücken und Dämmen eingesetzt wurde.
Für das aktuelle Vorhaben wurde aber der Meeresboden als Testgebiet gewählt, etwa 26 Kilometer vor der sizilianischen Küstenstadt Catania. Diese Region ist besonders geeignet, da dort ein Telekommunikationskabel verläuft und der nahegelegene Ätna, Europas höchster aktiver Vulkan mit einer Höhe von 3 357 Metern, zusätzliche geologische Aktivität bietet.
In einer Tiefe von 2 100 Metern wurde ein sechs Kilometer langer Abschnitt des Telekommunikationskabels mit dem von Lapp entwickelten Spezialkabel, geodätischen Instrumenten und seismologischen Stationen ausgerüstet und kalibriert. Ziel des Projekts ist es, Telekommunikationskabel so zu optimieren, dass sie tektonische Veränderungen automatisch erkennen und melden können.
Den Meeresboden überwachen
Bereits heute gibt es auf dem Grund unserer Ozeane bereits ein rund eine Million Kilometer umfassendes Netz an Unterwasser-Telekommunikationskabeln. Würde man diese entsprechend anpassen, könnte man ein riesiges seismologisches Überwachungsinstrument schaffen, womit plötzliche Verformungen in der Tiefsee nahezu in Echtzeit erkannt werden.
Um die Optionen und Herausforderungen zu erforschen, hat der Europäische Forschungsrat ERC das Projekt Focus (Fiber Optic Cable Use für Studien zur Erdbebengefährdung und -verformung am Meeresboden und Verformung) angestoßen. Das mit über 3,5 Millionen Euro geförderte Projekt wurde im Herbst 2018 gestartet und soll 2025 abgeschlossen werden.
Durch die Installation verteilter Brillouin-Sensoren wäre es möglich, alle Unterwasserbewegungen wie zum Beispiel Verformungen zu verfolgen. Das Projekt würde den Telekommunikations-Glasfaserkabeln einen doppelten Nutzen verleihen. Die hohe Empfindlichkeit von Glasfaserkabeln würde es nämlich ermöglichen, Daten über Erdbeben zu sammeln, die in der Mitte des Ozeans beginnen und zu schwach sind, um von den derzeitigen seismologischen Land- und Seestationen aufgezeichnet zu werden.
Erkennung von Verschiebungen
Bei der optischen Laserreflektometrie handelt es sich um ein Verfahren zur Ermittlung und Analyse von elektromagnetischen Wellen und Signalen im Wellenbereich des Lichts. Dabei wird ein Laserpuls der Dauer von 3 ns bis 20 µs in einen Lichtwellenleiter geschossen und das Rückstreulicht über der Zeit gemessen. Wenn das Kabel durch Dehnung oder Temperaturschwankungen gestört wird, ändern sich auch die Messdaten an der betreffenden Stelle. Die Forscher wollen im Focus-Projekt nachweisen, dass diese Technik kleine ein bis zwei Zentimeter umfassende Verschiebungen am Testgelände vor der Küste Siziliens messen kann.
IDIL Fibres Optiques ist für die Laserreflektometriemessungen verantwortlich. Die geodätischen Stationen am Meeresboden tauschen regelmäßig Daten aus, auch die Schallgeschwindigkeit im Wasser wird kontinuierlich gemessen. Zudem sind die Stationen mit Drucksensoren und Neigungsmessern ausgestattet, um sicherzustellen, dass es bei den aufgezeichneten Bewegungen nicht zu Verschiebungen eines einzelnen Instruments kommt.
Anspruchsvollen Bedingungen standhalten
Lapp hat für das Focus-Projekt ein Unterwasser-Dehnungsmesskabel entwickelt. Dieses Kabel wird 20 cm tief im Boden des Meeres verlegt, um seine Stabilität zu gewährleisten. Es besteht aus 10 optischen Singlemode-Fasern, Kupferleitern und 2 optischen Trisens-Kabeln mit Edelstahlrohr, die zum besseren Schutz von TPU- und Polyurethanmänteln umgeben sind.
Dieses für anspruchsvolle Umgebungen konzipierte Kabel bietet robuste elektrische Eigenschaften und eine hohe mechanische Beständigkeit, einschließlich eines Betriebstemperaturbereichs von - 30 bis + 80 °C und einer maximalen Zugkraft von 1 500 daN. Dieses Kabel ermöglicht somit einem Labor die Datenübertragung zur Messung in Echtzeit.
Die Entwicklung des Kabels war herausfordernd, denn in einer Tiefe von 2 000 Metern kann der Druck die strukturelle Integrität von Kabeln und Sensoren beeinträchtigen. Zudem können Temperaturschwankungen, die oft sehr gering sind, Verformungsmessungen und das dielektrische Verhalten von Kabeln beeinflussen.
Auch die Verlegung im Meeresboden ist aufwändig. Tiefseeeinsätze erfordern spezielle Forschungsschiffe und ROVs (ferngesteuerte Fahrzeuge). Und es muss sichergestellt werden, dass das Kabel trotz Meeresströmungen und anderer Unterwasseraktivitäten an seinem Platz bleibt.
Prototyp als Komplettlösung
Loic Rampi, verantwortlich für Technology & Business-Entwicklung bei Lapp, sagt: „Der Kunde IDIL benötigte zunächst von uns einen komplexen Prototyp eines ein Kilometer langen Kabels. Und wir waren in der Lage, eine Komplettlösung anzubieten, die Produktentwicklung, Produktion, Integration und Qualifizierung umfasst.“ Über ein Jahr hinweg entwickelte das Lapp Team ein völlig neuartiges Kabel mit hochempfindlichen optischen Fasern. Dieses Kabel bietet einen entscheidenden Vorteil: Es dient über seine gesamte Länge als präziser Sensor und ermöglicht eine lückenlose Überwachung des Meeresbodens. Diese bahnbrechende Technologie wurde in dieser Form bisher noch nie eingesetzt.
Als nächster Schritt ist die Entwicklung einer neuen Generation von Hybridkabeln geplant, die Telekommunikationsfasern mit integrierten Sensoren kombinieren. Das langfristige Ziel ist es, diese Technologie als Standard zu etablieren. Solche Hybridkabel könnten weltweit nicht nur zur Datenübertragung, sondern gleichzeitig zur Überwachung von Bewegungen am Meeresboden eingesetzt werden.
Gelingt dies, könnten die Ozeane – die rund 70 % der Erdoberfläche bedecken – als globales seismologisches Netzwerk genutzt werden. Dadurch ließen sich möglicherweise katastrophale Ereignisse wie der Tsunami von 2004 frühzeitig erkennen, rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten – und somit Menschenleben retten.
Bilder: U.I. Lapp GmbH
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