Ohne Sauerstoff, biologisch tot, voller Methanhydrat: Der Grund des Schwarzen Meeres gibt Rätsel auf. Ein Fall für das Forschungsschiff Meteor.
Ein eiskalter Nordwind pfeift vom Balkan auf den Bosporus hinaus. Die Böen erreichen Sturmstärke, und der Regen prasselt auf das Schiff herab. Die Männer mit den wetterfesten Arbeitsjacken und den roten Helmen scheint das nicht zu stören. Ihr ganzes Interesse gilt einem knapp zehn Meter langen Stahlgestell voller seltsam gezähnter Räder, Hydraulikrohre und Leitungen, das an Ketten auf einer Art Rutsche hängt. „Haaalt, halt, halt”, kommt das Kommando. Das Rasseln der Ketten und das Dröhnen des Motors verstummen. Drei Männer springen zu dem Riesengestell und justieren es neu.
Es ist Vormittag in Istanbuls Industriehafen bei Haydarpasa im asiatischen Teil der türkischen Metropole. Das Forschungsschiff Meteor wird für eine Expeditionsfahrt ins Schwarze Meer ausgerüstet. Die Wissenschaftler um den Fahrtleiter Gerhard Bohrmann vom „Marum”, dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen, wollen den Mythen des brennenden Meeres vor der georgischen Küste sowie der Erd- und Klimageschichte auf die Spur kommen.
Ein Stöhnen ertönt vom Heck des Schiffs. Die Ketten rasseln wieder, und das Riesengestell rutscht in Richtung Wasser, aber nur für Sekunden. Mit geübtem Blick haben die Techniker gesehen, wo sie weiterarbeiten müssen. Währenddessen greift der Ladearm der Meteor in einen Container, der auf dem Kai neben dem Schiff steht. Ein Netz mit Kisten und Gasflaschen schwebt heraus und wird sacht auf dem Deck abgesetzt. Ein halbes Dutzend Wissenschaftler springen herbei, öffnen das Netz und tragen alles in den Bauch des Schiffs. Auch Bohrmann, Professor für Meeresgeologie an der Universität Bremen, packt mit an.
Logistische Meisterleistung
In den Containern, die am Kai und teilweise an Bord aufeinander gestapelt stehen, befindet sich alles, was die Forscher brauchen – und zwar wirklich alles, denn die Meteor wird quasi „nackt” übergeben. Das Forschungsschiff verfügt zwar über eine Grundausstattung für Forschungsaufgaben – zum Beispiel ein exzellentes Sonarsystem, Kräne, um Forschungsgerät ins Meer zu bringen und zurück zu bekommen, und natürlich Labors. Doch die Labors sind leer. Kein Messgerät steht darin. Was vor zwei Tagen noch da war, befindet sich in Containern auf dem Weg zurück nach Bremen. Die Kollegen, die hier im vorangegangenen „Fahrtabschnitt” – wie eine Expedition bei den Forschern heißt – gearbeitet haben, waren vor allem Chemiker und Mikrobiologen. Ihr Arbeitsmaterial würde den Geologen um Bohrmann wenig helfen.
Jede „Fahrt” ist deshalb eine logistische Meisterleistung. „ Wir müssen Monate zuvor in Bremen wirklich an jede Schraube und an jede Eventualität denken”, sagt Tim Freudenthal, Geologe und Herr über das Riesengestell am Heck des Schiffs, das Meeresboden-Bohrgerät „MeBo”. „Was wir nicht an Bord haben, haben wir einfach nicht, und wir haben auch keine Möglichkeit, es draußen auf See zu bekommen. Wenn man sich dumm anstellt, kann wegen eines fehlenden Artikels mit Cent-Wert ein millionenteures Forschungsgerät nicht arbeiten.” Freudenthals Gruppe hat die meisten Container aus Bremen mitgebracht. In einem war das MeBo. Es wurde extra so konstruiert, dass es Containermaße hat, denn was nicht in die zehn Meter langen Metallkisten passt, lässt sich nur aufwendig und sehr teuer über die Weltmeere transportieren. In den anderen Containern befinden sich eine Werkstatt mit Ersatzteilen, Bohrgestänge und Bohrköpfe – und über allem thront der Leitstand, ein Container voller Computer, Monitore und Bedienhebel. Von hier aus wird das Bohrgerät ferngesteuert. Die Monitore und Videokameras arbeiten bereits – nur zeigen sie noch nicht den Meeresboden, sondern das Heck der Meteor.
MeBo macht das Bohren leicht
Das MeBo ist eine Eigenentwicklung des Marum und schließt eine wichtige Lücke beim Erforschen des Meeresbodens. Bislang hatten die Forscher nur die Wahl zwischen ganz einfachem und sehr aufwendigem Bohren. Ganz einfach geht es mit dem sogenannten Schwerelot – im Prinzip eine Stahlröhre, die sich aufgrund ihres großen Gewichts 5 bis 15 Meter tief in den Meeresboden bohrt und dabei eine Bodenprobe aufnimmt. Wer tiefer in die Meeressedimente wollte, bräuchte ein Bohrschiff – ein Riesengerät, wie es in der Erdölindustrie verwendet wird. „Jede Bohrung ist mit großem Aufwand verbunden, denn das Schiff muss das Bohrgestänge nicht nur Hunderte von Metern ins Erdreich treiben, sondern auch erst einmal von der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden vorstoßen”, sagt Gerold Wefer, Marum-Direktor und einer der geistigen Väter von MeBo.
Das Meeresboden-Bohrgerät ist viel einfacher und flexibler einzusetzen. „Wir können das MeBo bis in 2000 Meter Tiefe auf den Meeresboden hinablassen und dort aufstellen. Es hängt an einem soliden Stahlseil, an dem wir es auch wieder hochziehen. Im Inneren des Seils sind Kupferkabel für die Stromversorgung und Glasfasern für die Fernsteuerung”, sagt Freudenthal. „MeBo hat sein gesamtes Bohrgestänge dabei. Sobald es steht, können wir ferngesteuert mit dem Bohren beginnen – und seit Kurzem kommen wir bis in 70 Meter Tiefe.” Ziel jeder Bohrung ist es, sogenannte Bohrkerne zu ziehen. Sie enthalten die Sedimente des Bodens in der gleichen Schichtfolge wie im Meeresboden. Die Sedimente eines Meeres entstehen vor allem aus den Tieren und Pflanzen, die einst dort lebten. Meere mit Muscheln bilden Kalkschichten, Tropenwälder Torf, Kohle oder Öl, Flüsse können obendrein Sandschichten ablagern. Die Bohrkerne zeigen den Geologen, was wann hier lebte, welches Klima herrschte und wie die Umwelt beschaffen war. Jeder Kern ist ein Stück Welt- und Klimageschichte. Nach der Fahrt teilen die Forscher die Kerne in Bremen in Längsrichtung. Die eine Hälfte wird „beprobt”, das heißt, die Forscher der verschiedensten Disziplinen nehmen sich Proben für ihre Analysen. Beide Hälften kommen ins Bohrkernlager in Bremen, das größte Kernlager für Meeresbodenproben auf der Welt. Zwei etwas kleinere gibt es noch in den USA und Japan. Im Prinzip stehen sie allen Wissenschaftlern auf der Welt zur Verfügung. Doch wer mit diesen Proben forschen möchte, muss sein Projekt gut begründen, und er muss möglichst zerstörungsfrei arbeiten.
Biologisch tot
Auf die Proben aus dem Schwarzen Meer sind die Expeditionsteilnehmer besonders gespannt. Bohrmann: „Hier wurde zuvor erst einmal gebohrt, und entsprechend wenig wissen wir über die Erdgeschichte dieses Meeres. Klar ist aber, dass das Meer vor der letzten Eiszeit ein Binnensee war. Nach der Eiszeit ist das Mittelmeer mehrfach durchgebrochen und hat den See überschwemmt.” Das Schwarze Meer verfügt über eine weitere Besonderheit: Es ist in der Tiefe biologisch tot – und das nicht als Folge menschlicher Eingriffe, sondern natürlicherweise. Ab 200 Meter unter der Meeresoberfläche gibt es keinen Sauerstoff und kein höheres Leben mehr. Herabsinkende Kadaver und Pflanzenteile werden nicht abgebaut. Aus diesem Grund hat das Schwarze Meer auch keinen normalen festen Meeresgrund, sondern eine mehrere Zentimeter bis Dezimeter dicke Schicht aus organischer „Pampe”, wie Bohrmann sie salopp nennt.
Die Hauptursache für diese Todeszone ist eine sehr stabile Wasserschichtung mit salzarmem leichterem Wasser über dem salzreichen Tiefenwasser. Sie verhindert eine Zirkulation, die sauerstoffreiches Wasser zum Boden bringen könnte. Organische Verbindungen und vor allem Methan, das an vielen Stellen aus dem Meeresboden austritt, verzehren daher dort den Sauerstoff. „Eine ähnliche Sauerstoffzehrung ist letztes Jahr im Golf von Mexiko geschehen”, berichtet Bohrmann. „Auch dort haben Bakterien große Mengen des ausgetretenen Öls verarbeitet und dabei allen Sauerstoff verbraucht. Im Golf gibt es nun auch eine Todeszone, nur dass sie nicht das ganze Meer umfasst wie hier, sondern nur einen Teil.”
Methan ist Bohrmanns Hauptforschungsgebiet – vor allem, wenn es in Form von Methanhydrat vorliegt. Diese ungewöhnliche kristalline Struktur aus Gas und Wasser tritt am Meeresboden bei bestimmten Kombinationen von hohem Druck und Kälte auf, im Schwarzen Meer ab 700 Meter Tiefe. Für manche Forscher sind Hydrate eine Energiequelle der Zukunft, andere sehen in ihnen Klima-Zeitbomben. Denn bei einer Erwärmung der Weltmeere könnten sich auch Methanhydrate auflösen und das Klimagas Methan freisetzen, was zu einer weiteren Erwärmung führen würde. Um mehr über die Struktur dieser Tiefseekristalle zu erfahren, verfügt das MeBo über die neuartige Autoklav-Technik. Sie ermöglicht es, die erbohrten Kerne bei Tiefseedruckbedingungen an die Oberfläche zu bringen. Methanhydrate sind nur unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen stabil. Damit sie sich nicht komplett auflösen, müssen die Forscher sie in flüssigen Stickstoff werfen, sobald sie an Bord sind, und sie auf minus 196 Grad Celsius kühlen. Allerdings wird ein Teil der Kristallstruktur beim Aufstieg durch den Druckabfall zerstört. Deshalb erscheinen die Hydrate auf Fotos immer wie Schneeklumpen, obwohl sie unter natürlichen Bedingungen durchsichtige Kristalle sind, wie die Forscher aus Videobeobachtungen mit einem ferngesteuerten Roboter am Meeresboden wissen.
Das Methan tritt im Schwarzen Meer teilweise so stark aus dem Boden aus, dass es sich entzünden und über dem Meer brennen kann. Untersuchungen über die Stabilität der Hydrate haben nicht nur wissenschaftlichen Wert, sondern auch praktischen. Hydrate zementieren viele Kontinentalhänge in den Ozeanen. Wo sich Hydrate auflösen, können die Meereshänge ihre Stabilität verlieren und in die Tiefsee rutschen. Solche Rutschungen können wiederum Tsunamis auslösen. In Nordeuropa geschah dies zuletzt vor etwa 8000 Jahren (bild der wissenschaft 3/2005, „ Tsunami-Gefahr auch für Europa”).
Die grauen Kisten
Auch wenn die Bohrkerne erst in Bremen gründlich analysiert werden, müssen viele Fragen zur Zusammensetzung sofort an Bord geklärt werden. Darum baut das Team um den Geochemiker Matthias Haeckel ein komplettes Chemie-Labor auf. Am Anfang sieht es wie ein normales Labor aus, mit den typischen grauen Kisten samt Schläuchen und Kolben. Doch dann holen die technischen Assistenten aus den Kisten Spanngurte, wie es sie in jedem Baumarkt gibt, und fixieren alle Geräte mehrfach an den Labortischen, die mit dem Schiffsboden verschraubt sind. Das Ergebnis ist eine seltsam anmutende Mischung aus Hightech und Lowtech, aber im Labor gilt der gleiche Grundsatz wie überall auf einem Schiff: Was nicht befestigt ist, liegt unweigerlich irgendwann unten und ist kaputt. Mit Stürmen und heftiger See muss man auf jeder Forschungsfahrt rechnen. Die Stürme sorgen auch für Ausfälle im Forscherteam. „Bei schwerer See leiden immer ein paar Kollegen unter Seekrankheit”, berichtet Bohrmann.
Auf dem Kai hält ein Kleinbus und bringt eine Gruppe Forscher. Sie sind gerade aus Bremen am Flughafen Istanbul angekommen. Mit ihnen ist das Team komplett. An Bord wird es langsam ruhiger. Die Container sind ausgepackt, die Labors eingeräumt, die autonomen Unterwasserroboter für die Tiefsee-Kartierung gecheckt und betriebsbereit (siehe Beitrag „Torpedo mit Scharfblick” ab S. 43). Auch unter den Wissenschaftlern ändert sich das Tempo. Immer weniger Forscher rennen bepackt mit Kisten durch die Gegend. Stattdessen finden sich häufiger kleine Gruppen zusammen.
Man beugt sich gemeinsam über Karten, Grafiken, Tabellen und Einsatzpläne. Und immer mehr richtet sich die Aufmerksamkeit aller auf das Heck der Meteor, wo das MeBo steht. Die Marum-Techniker justieren letzte Feinheiten der Kipp- und Absenkvorrichtung. Am Nachmittag ist es schließlich soweit. Das MeBo ist einsatzbereit.
TESTLAUF IM HAFEN
Jetzt kommt der erste Probelauf. „Wir testen es immer im Hafen. Denn hier lassen sich Anpassungen oder Reparaturen leichter durchführen als auf offener See, wenn das Schiff hin und her tanzt”, sagt Bohrmann. Die Ketten ziehen an, das MeBo gleitet zum Heck und kippt langsam über die Kante. Noch ein kurzer Stopp, ein letzter Check, dann versinkt es halb im dunklen Hafenwasser. Blasen steigen auf, erst nur ein paar, dann immer mehr. Auch hier kommt das Okay-Zeichen: Die Wasserpumpe arbeitet. Sie drückt Wasser in das Bohrloch und verhindert, dass das Bohrgestänge auf seinem Weg ins Erdreich stecken bleibt.
Alle Systeme arbeiten einwandfrei. Die Ketten ziehen erneut und bringen das MeBo zurück an Deck. Auf Freudenthals Gesicht zeichnet sich Zufriedenheit ab. Seine gelassene Art hatte schon zuvor signalisiert, dass er nichts anderes erwartete. Die Meteor ist einsatzbereit. Am nächsten Morgen wird sie Istanbul verlassen, Kurs Ost. ■
Thomas Willke (links), bdw-Korrespondent in Lübeck, war dabei, als die Meteor für die Fahrt gerüstet wurde – zusammen mit dem Bremer Fotografen Tristan vanKann.
Text: Thomas Willke, Fotos: Tristan Vankann
Vom Weltraum in den Ozean
Zusammen mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) am Standort Bremen und dem Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat das Marum das Institut „Martech” gegründet. Zwischen Weltraumtechnik und Meeresforschung gibt es viele Synergien, sagt DFKI-Direktor Frank Kirchner: vor allem bei der Elektronik. Die wollen die Forscher nutzen. Das erste gemeinsame Baby wächst bereits heran: ein halbautonomer Unterwasserroboter, der nicht nur durchs Wasser gleiten, sondern auch im Wasser auf der Stelle stehen und arbeiten kann. Gesteuert wird er über ein dünnes Glasfaserkabel – in bis zu 3000 Meter Tiefe. Gerold Wefer schätzt, dass die Martech-Wissenschaftler bis 2013 einen ersten Prototyp gebaut haben werden. In der Entwicklung ist zudem ein intelligenter Greifarm, Projektname „Seagrip”. „Wir wollen weg von der optischen Wahrnehmung – bei einem Ölaustritt in der Tiefsee zum Beispiel sieht man sowieso nichts. Man kann sich auch mit Greifen und Tasten ein Bild machen”, sagt Kirchner. Seagrip hat 876 Tastsensoren und ist nur eineinhalb Mal so groß wie eine menschliche Hand.
Kompakt
· Mit modernsten Messsystemen und Bohrgeräten an Bord wollen deutsche Forscher die dunklen Tiefen im Schwarzen Meer erkunden.
· Vor dem Start der Expedition sind aufwendige Vorbereitungen erforderlich.
Scannen, greifen, bohren
Die Forscher am Marum haben einen umfassenden Gerätepark, um Landschaften und Tierwelt in der Tiefsee zu erkunden. Das Bohrgerät „MeBo” dringt tief in den Meeresboden ein. Das autonome Unterwasservehikel (AUV) vermisst hochpräzise die Gestalt des Meeresgrunds. Was dabei durch seine Struktur auffällt, lässt sich mit einem ferngelenkten Tauchroboter (ROV) wie „Quest” genau ins Visier nehmen. Solche Roboter können auch unter Meereis schauen. „ Move” soll sich künftig autonom am Meeresgrund bewegen.
