Essentials of deep-sea research technology:<\/strong> The first thing I learnt upon entering a deep sea technology workshop was “non-corrosive steel is non-corroded on the day of delivery”, which leads me to my first topic: materials<\/strong>. We tend to avoid most metals because seawater is highly corrosive. So we use plastics, glass, carbon, fiber-reinforced plastics and high-grade stainless steel. Whenever the lack of alternatives justifies the extremely high costs, we use titanium, a high-tech metal stronger than steel while being only half as heavy and absolutely corrosion-resistant.<\/p>\n\n\n\n Speaking of titanic strength\nbrings me to the next significant challenge in deep-sea technology:\nwithstanding pressure<\/strong>. Pressure compresses gas (it also compresses\nliquids and solids but to a much lower extent). So if there is air in a housing\nwhen you bring it under water, it will either fill with water or implode. Therefore, we fill the housings of\nelectronics, sensors and some battery types with oil so that there is no air\nleft inside to be compressed. There are, however, components that have hollow\nspaces which cannot be filled with oil, such as cameras or optical sensors,\nbecause oil has different optical properties than the air these devices are\nmade to function in. In this case, we use titanium to build pressure-proof\nhousings that keep the inside dry and at atmospheric pressure.<\/p>\n\n\n\n Another major challenge is\nunder-water communication<\/strong>. Seawater does neither transport GPS signals,\nnor radio communication, mobile networks or WiFi. The only way to communicate\nwith a submerged device through water over a long distance is through\nultrasound communication. The data rate and reliability of such communication\nis, however, just about sufficient to transmit “Time to come back\nup!” and receive the answer “Ok, I’m on my way!”. So either you\naccept that you have little to no communication with your sensor, your\nexperiment setup, or your robot, or you connect it physically to your computer\nvia a cable. For this purpose, RV SONNE is equipped with a whole family of\ncranes, winch systems and cables, each of several thousand meters in length,\nsome of which can transfer electrical energy at more than a thousand volts.\nLive HD video transmission from the seafloor and remote operation of deep sea\nrobots such as the ROV Kiel 6000 would not be possible without this high-tech\ncable infrastructure. Through the ROV, even devices without a cable of their\nown can be remotely operated, for example through magnet switches or\nshort-distance optical barcode-communication modules.<\/p>\n\n\n\n Not only rudimentary\ncommunication is supported by ultrasound, but also positioning<\/strong> data. The\nRV SONNE has ultrasound transponders that can locate their counterparts that\nare attached to the devices we bring to the sea floor. We add this relative position\nto the ship to the GPS position of the ship so that we can mark the absolute\ncoordinates of our device on a map to find it again later.<\/p>\n\n\n\n Scientific interests of MPI\/AWI:<\/strong> Our MPI\/AWI joint research group studies the abundance and consumption of oxygen in deep-sea sediment. As on land, many deep-sea organisms depend on oxygen. As opposed to life on land or in shallow water, where plants and some bacteria can produce oxygen through photosynthesis using sunlight, the deep sea is dark. So life depends on the oxygen dissolved in the surface water and brought down to the seafloor by the global ocean conveyor belt. This oxygen then again diffuses slowly into the sediment, where it is consumed biogeochemically mediated by living organisms.<\/p>\n\n\n\n With our research, we measure high-resolution vertical profiles of oxygen concentration in the upper sediment layer (< 30 cm) as well as high-precision oxygen diffusion and consumption rates on the seabed.<\/p>\n\n\n\n Sensitive sensors:<\/strong> Now that you are equipped with a basic understanding of deep-sea technology as well as our research interest, I can explain our devices to you.<\/p>\n\n\n\n High precision and high resolution\nof our measurements are specifically crucial to our research. But by pushing\nsensors into fluffy sediment, we disturb the natural layering, we want to collect\nour data in. So we have to keep the physical impact on the sediment as gentle\nas possible. Therefore, we use different types of glass needles with a sensor\ntip of 20, respectively 240 micrometer in diameter, which is about as thin as a\nhuman hair. These needles are custom-made by technicians in our labs in Bremen.<\/p>\n\n\n\n So-called fiber-optical deep\nprofilers immerse 30 centimeters into the sediment. The glass needles are\nsplinted with a rigid carbon tubing ending in a medical cannula protecting the\ntip. This tip is coated with a delicate layer of paint that turns fluorescent\nin the presence of oxygen. For the measurement, a ray of light is sent through\nthe glass fibre and reflected at the tip. The intensity of the light at the\nspecific fluorescence wavelength that travels back through the glass fiber is\nmeasured to calculate the oxygen concentration around the tip.<\/p>\n\n\n\n Our electrochemical mirco-profilers,\non the other hand, pierce only the upper 15 centimeters of the sediment. Their\nglass needles are hollow and support two thin filaments maintaining a low\nelectrical voltage. When in contact with oxygen, a very low electrical current\nflows between the two filament electrodes. The oxygen concentration can then be\ncalculated from the measured electrical current.<\/p>\n\n\n\n Both types of profilers have several elements in common, as shown in figure 1: (1) a rigid frame of fiber-reinforced plastics, (2) a pressure-proof titanium housing containing the main controller and the sensor electronics where the optical, respectively electrochemical signal is received, interpreted and logged, (3) a custom-made oil-filled battery for power supply, (4) an optical communication module for close-up communication with the ROV, (5) custom-made oil-filled motors and gear mechanics for driving the needles vertically, and (6) a knotted monkey fist handle for lifting and positioning by the ROV.<\/p>\n\n\n\n My daily work<\/strong>: My responsibility as a mechanical engineer in the team is to make sure these devices work mechanically. Programming, sensor calibration and data interpretation is being done by our boss, Frank, in the lab. My main workspace is the ship’s hangar, the workshop hall on deck, where I have all my tools and spare parts to repair whatever breaks, and the charging stations for the batteries. And here is what I find most challenging, but fascinating about my job: 1) It is indeed an educational trip for creative improvisation. I can only work with whatever we brought onto this ship, we cannot buy spare parts or material. 2) I always have to take great care not to damage our delicate sensors. 3) I still feel excited every time I see my devices dive deep down into the ocean and yet even more relieved when they come back up unscathed, carrying home a bunch of precious data …<\/p>\n\n\n\n von Elena Schiller<\/em><\/p>\n\n\n\n Grundlagen der Tiefseeforschungs-Technologie:<\/em><\/strong> Das Erste, was ich in einer Tiefseetechnik-Werkstatt gelernt habe, ist “Rostfreier Stahl ist rostfrei am Tag der Anlieferung”, was mich direkt zum ersten Thema bringt: <\/em>Materialien<\/em><\/strong>. Wir vermeiden die meisten Metalle, da Seewasser hoch korrosiv ist. Am h\u00e4ufigsten verwenden wir Plastik, Glas, Karbon, faserverst\u00e4rkte Kunststoffe und hochwertigen Edelstahl. Wann immer der Mangel an Alternativen die enorm hohen Kosten rechtfertigt, verwenden wir Titan, ein high-tech-Metall, fester als Stahl, dabei aber nur halb so schwer und absolut korrosionsbest\u00e4ndig.<\/em><\/p>\n\n\n\n Titanische St\u00e4rke bringt mich schon zur n\u00e4chsten gro\u00dfen Herausforderung in der Tiefseetechnik: dem <\/em>Druck<\/em><\/strong> standzuhalten. Druck komprimiert Gase (Er komprimiert auch Fl\u00fcssigkeiten und Feststoffe, aber in viel geringerem Ma\u00dfe). Wenn also Luft in einem Geh\u00e4use ist, wird sich dieses Geh\u00e4use beim Abtauchen entweder mit Wasser f\u00fcllen oder implodieren. Daher f\u00fcllen wir die Geh\u00e4use einiger Elektronik-Elemente, Sensoren und einiger Batterietypen mit \u00d6l, sodass keine Luft mehr darin ist, die komprimiert werden k\u00f6nnte. Es gibt jedoch Einzelteile, die Hohlr\u00e4ume besitzen, die nicht mit \u00d6l gef\u00fcllt werden k\u00f6nnen. Dazu geh\u00f6ren zum Beispiel Kameras oder optische Sensoren, da \u00d6l andere optische Eigenschaften besitzt als Luft, f\u00fcr die sie gebaut sind. In diesen F\u00e4llen bauen wir druckfeste Geh\u00e4use aus Titan, die ihr Inneres trocken und auf einem Bar atmosph\u00e4rischem Druck halten.<\/em><\/p>\n\n\n\n Eine weitere Herausforderung ist die Unterwasser-<\/em>Kommunikation<\/em><\/strong>. Meerwasser leitet keine GPS-Signale, keinen Funk, keine Telefon-Strahlung und kein WLAN.<\/em><\/p>\n\n\n\n Der einzige Weg, durch das Wasser \u00fcber lange Distanz mit einem getauchten Ger\u00e4t zu kommunizieren ist \u00fcber Ultraschall. Die Datenrate und Zuverl\u00e4ssigkeit solcher Kommunikation ist aber gerade so eben ausreichend, um zu senden “Zeit, wieder hoch zu kommen!” und die Antwort zu erhalten “Alles klar, bin unterwegs!”. Also entweder akzeptiert man, dass man sehr wenig bis gar keine Kommunikation zu seinem Sensor, Experiment-Setup, oder Roboter aufbauen kann, oder man verbindet sich physisch mit ihm \u00fcber ein Kabel. Zu diesem Zweck ist FS SONNE ausgestattet mit einer ganzen Familie von Kr\u00e4nen, Windensystemen und Kabeln, je mehrere Kilometer lang, von denen einige elektrische Energie mit einer Spannung von \u00fcber 1000 Volt \u00fcbertragen k\u00f6nnen. Live HD Video\u00fcbertragung vom Meeresgrund und Fernsteuerung von Tiefsee-Robotern wie das ROV Kiel 6000 w\u00e4ren ohne diese high-tech Kabel-Infrastruktur nicht m\u00f6glich. Mit Hilfe des ROVs k\u00f6nnen auch Ger\u00e4te, die selbst nicht an einem Kabel h\u00e4ngen, ferngesteuert werden, etwa durch Magnetschalter oder Module zur optischen Kommunikation \u00fcber Barcodes.<\/em><\/p>\n\n\n\n Ultraschall wird jedoch nicht nur zu rudiment\u00e4rer Kommunikation, sondern auch zur <\/em>Positionsbestimmung<\/em><\/strong> getauchter Ger\u00e4te verwendet. FS SONNE tr\u00e4gt Ultraschall-Transponder, die ihre Gegenst\u00fccke orten k\u00f6nnen, die wir an unseren Tiefsee-Ger\u00e4ten befestigen. Wir summieren diese relative Position zum Schiff auf die absoluten GPS-Koordinaten des Schiffes, um die absolute Position unserer Ger\u00e4te zu kennen. Auf diese Weise k\u00f6nnen wir sie sp\u00e4ter wiederfinden.<\/em><\/p>\n\n\n\n Wissenschaftliche Fragestellung des MPI\/AWI:<\/em><\/strong> Unsere MPI\/AWI Br\u00fcckengruppe erforscht unter anderem die Verf\u00fcgbarkeit und den Verbrauch von Sauerstoff in den obersten Sedimentschichten. So wie an Land nutzen auch in der Tiefsee viele Organismen Sauerstoff zum \u00dcberleben. Im Gegensatz zum Leben an Land oder in flacherem Gew\u00e4sser, wo Pflanzen und einige Bakterien Sauerstoff herstellen k\u00f6nnen, indem sie mit Hilfe von Sonnenlicht Photosynthese betreiben, ist es in der Tiefsee dunkel. Das Leben dort ist also angewiesen auf den Sauerstoff, den es aus dem Wasser beziehen kann. Dieser Sauerstoff wiederum diffundiert langsam in das Sediment, wo er einerseits biochemisch von Organismen und andererseits durch geochemische Prozesse abgebaut wird. F\u00fcr unserer Forschung messen wir hochaufl\u00f6sende vertikale Profile der Sauerstoffkonzentration in den obersten Sedimentschichten (< 30 cm) sowie hochpr\u00e4zise Diffusions- und Verbrauchsraten von Sauerstoff. <\/em><\/p>\n\n\n\n Empfindliche Sensoren:<\/em><\/strong> Jetzt, da Ihr mit einem grundlegenden Verst\u00e4ndnis von Tiefsee-Technik und auch von unserem Forschungsgebiet ausgestattet seid, kann ich Euch unsere Ger\u00e4te erkl\u00e4ren.<\/em><\/p>\n\n\n\n Hohe Pr\u00e4zision und Aufl\u00f6sung ist speziell f\u00fcr unsere Forschung von gro\u00dfer Bedeutung. Indem wir Sensoren in lockeres Sediment dr\u00fccken, zerst\u00f6ren wir aber die nat\u00fcrliche Schichtung, die wir ja gerade erkennen m\u00f6chten in unseren Daten. Wir m\u00fcssen also die physikalische Beeinflussung des Sediments so gering wie m\u00f6glich halten. Daher verwenden wir verschiedene Arten von Glasnadeln mit je einer Sensor-Spitze von 20 bzw. 240 micrometer Durchmesser (das ist etwa so fein wie ein menschliches Haar). Diese Nadeln werden handgemacht von kompetenten technischen Assistent*innen am MPI in Bremen.<\/em><\/p>\n\n\n\n Sogenannte Faser-optische tiefe Profiler stechen 30 cm tief ins Sediment. Die Glasnadeln sind geschient in einem stabilen R\u00f6hrchen aus Karbon, das in einer medizinischen Kan\u00fcle endet, die die Spitze der Glasnadel sch\u00fctzt. Diese Spitze ist lackiert mit einer empfindlichen Schicht Farbe, die bei Kontakt mit Sauerstoff fluoreszierend wird. Bei der Messung wird ein Lichtstrahl durch die Glasfaser in Richtung Sediment geschickt und an der lackierten Spitze reflektiert. Die Intensit\u00e4t des zur\u00fcckgestrahlten Lichts in der Wellenl\u00e4nge der Fluoreszenz durch Sauerstoff wird gemessen, um daraus die Sauerstoffkonzentration um die Spitze herum zu berechnen.<\/em><\/p>\n\n\n\n Unsere elektrochemischen Micro-Profiler andererseits tauchen nur 15 cm tief ins Sediment ein. Ihre Glasnadeln sind hohl und ummanteln je zwei feine Dr\u00e4hte, an denen eine geringe elektrische Spannung anliegt. Bei Kontakt mit Sauerstoff flie\u00dft ein geringer elektrischer Strom zwischen den Dr\u00e4hten. Die Sauerstoffkonzentration um die Spitze kann aus der H\u00f6he dieses elektrischen Stroms berechnet werden. Beide Profiler-Typen haben einige Elemente gemein: (1) Ein stabiler Rahmen aus faserverst\u00e4rktem Kunststoff, (2) ein Druckgeh\u00e4use aus Titan, das den Main Controller beherbergt sowie die Sensorelektronik, an der die optischen bzw. elektrochemischen Signale aufgenommen, interpretiert und geloggt werden, (3) eine spezialangefertigte, durch \u00d6l-F\u00fcllung druckkompensierte Batterie zur Stromversorgung (4) ein optisches Modul f\u00fcr Kommunikation mit dem ROV auf kurze Distanz, (5) spezialangefertigte, durch \u00d6l-F\u00fcllung druckkompensierte Motoren mit Mechanik zum Herunterfahren der Sensoren und (6) eine geknotete Affenfaust als Griff f\u00fcr das ROV zum Anheben und Absetzen.<\/em><\/p>\n\n\n\n Mein Arbeitsalltag:<\/em><\/strong> Als Mechanik-Ingenieurin ist es meine Aufgabe, daf\u00fcr zu sorgen, dass unsere Ger\u00e4te mechanisch funktionieren. Das Programmieren, die Kalibrierung der Sensoren und die Interpretation der Daten \u00fcbernimmt mein Chef, Frank, im Labor. Mein haupts\u00e4chlicher Arbeitsplatz hier auf dem Schiff ist der Hangar, also die Werkstatt-Halle an Deck. Dort habe ich neben den Ladestationen f\u00fcr die Batterien Werkzeug und Ersatzteile, um zu reparieren, was so kaputt geht. Zuletzt noch ein paar Worte, was ich an diesem Job besonders anspruchsvoll, aber auch faszinierend finde: 1) Eine Schiffsausfahrt ist ein Lerncamp zur kreativen Improvisation. Ich kann nur mit dem arbeiten, was wir mit an Bord genommen haben. Ich kann kein Material, Werkzeug oder Ersatzteile kaufen. 2) Ich muss sehr sorgsam arbeiten, um die empfindlichen Sensoren nicht zu besch\u00e4digen. 3) Es ist immer wieder aufregend, meine Ger\u00e4te ins tiefe Wasser zu lassen und immer wieder ebenso erleichternd, wenn sie heil und mit wertvollen Daten im Gep\u00e4ck wieder nach Hause kommen … <\/em><\/p>\n\n\n\n by Elena Schiller, AWI (deutsch s. u.) Essentials of deep-sea research technology: The first thing I learnt upon entering a deep sea technology workshop was “non-corrosive steel is non-corroded on the day of delivery”, which leads me to my first topic: materials. We tend to avoid most metals because seawater is highly corrosive. So we […]<\/p>\n","protected":false},"author":200,"featured_media":489,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[16,10,13,15],"tags":[],"class_list":["post-488","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-deep-sea","category-marine-resources","category-ozeanbeobachtung","category-tiefsee"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/488","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/users\/200"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=488"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/488\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":494,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/488\/revisions\/494"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/media\/489"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=488"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=488"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=488"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}![\"Sensitive](\"http:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-content\/uploads\/sites\/34\/2019\/05\/Figure1_MyProfilersSome.jpg\")
![\"Different](\"http:\/\/www.oceanblogs.org\/eadsm\/wp-content\/uploads\/sites\/34\/2019\/05\/Figure2_OxygenSensorTypes.jpg\")
<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"