Tagebuch eines Abenteuers

Case Study

Autor: Penny Boviatsou

Am 19. Oktober 2014 stach Matteo Miceli, ein bekannter italienischer Segler, am Hafen von Riva di Traiano nahe Rom auf dem unter italienischer Flagge segelnden Boot  ECO40 für das Projekt „Roma Ocean World“ in wissenschaftlicher Mission in See. Sein Ziel: eine Weltumsegelung. Allein. Ohne fossile Brennstoffe. Nur mit den Hilfsmitteln, die er von Anfang an auf seine immerhin 27.000 Seemeilen (50.000 Kilometer) lange Reise mitnahm.

Bei der ECO40 handelte es sich um ein seetüchtiges Boot der 40er-Klasse mit einer Gesamtlänge von 12 Metern, das mit der notwendigen Ausrüstung zur Erfassung von Daten sowohl der an Bord gemessenen meteorologisch-ozeanografischen Parameter (d. h. scheinbare und wahre Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Luftdruck, aktuelle Geschwindigkeit, Luft- und Wassertemperatur usw.) als auch der kinematischen Eigenschaften des Boots selbst (d. h. Geschwindigkeit und Kurs über Grund) ausgestattet war. Ein Professorenteam um Paolo De Girolamo und Mattia Crespi von der Universität Roma La Sapienza sowie Alessandro Pezzoli von der Polytechnischen Universität Turin erfasste jede Bewegung des Boots mit drei GNSS-Empfängern Leica GR25. Die aufgezeichneten Daten dienten zur

  • Berechnung der Wellenhöhe entlang der Route durch Verwendung des Boots als Boje und Validierung der numerischen Modelle des britischen meteorologischen Dienstes;

  • Verbesserung der Konstruktion des Boots durch die Berechnung der dynamischen Beanspruchung und der Widerstandsfähigkeit des Materials während der Reise und

  • Aufzeichnung der von den Bewegungen der ECO40 abgeleiteten Welleneigenschaften zur Erstellung eines Polardiagramms der Bootsgeschwindigkeit zur Optimierung künftiger Rennboote.

Miceli übermittelte seine Daten per Satellit zur Auswertung an die Professoren.

Nach der Umrundung der drei Kaps und 25.000 zurückgelegten Seemeilen, auf dem Rückweg Richtung Italien, kenterte die ECO40 am Äquator. Zu diesem Zeitpunkt war Miceli etwa 600 Meilen von der brasilianischen Küste entfernt. Er wurde von einem Frachtschiff an Bord genommen. Nach Italien zurückgekehrt, organisierte er eine erste Expedition zur Bergung, die jedoch nicht von Erfolg gekrönt war. Einen Monat später startete das Expeditionsteam einen neuen Versuch, bei dem die ECO40 schließlich 300 Meilen vor der Küste Brasiliens geborgen werden konnte. Zusammen mit dem Boot konnten auch die Daten gerettet werden, und die Forscher konnten sich an deren abschließende Auswertung machen.


HART AM WIND

Bei der geplanten Route handelte es sich um die klassische Klipperstrecke, die von Westen nach Osten durch den Südlichen Ozean verläuft und sich die starken Westwinde zunutze macht. Dabei passierte die ECO40 zuerst die Straße von Gibraltar, durchsegelte anschließend den Atlantik und umrundete die Antarktis auf einer durchschnittlichen Breite von 50° S. Dabei umsegelte sie von Westen nach Osten der Reihe nach die berühmtesten Kaps der Welt: das Kap der Guten Hoffnung, Kap Leeuwin und Kap Hoorn. Anschließend war geplant, durch den Atlantik zurück zur Straße von Gibraltar zu segeln und wieder in den heimischen Hafen einzulaufen.

Aus den mit dem GNSS-Empfänger Leica GR25 und der Antenne Leica AS10 aufgezeichneten Daten zur Bootsbewegung ging hervor, dass die ECO40 in dem ersten Sturm, in den sie geriet, Wellenhöhen um die sechs bis maximal zehn Meter zu bewältigen hatte“, so Miceli. „Nun, nach  dem Ende der Reise, sind wir in der Lage, die genauen Werte zu berechnen.“


DIE DATENERFASSUNG IM DETAIL

Ein Teil der Messdaten wurde täglich über ein Satellitenmodem an das Team auf dem Festland übermittelt. Diese vom Boot gemessenen und annähernd in Echtzeit übertragenen Daten erhöhten die Sicherheit der ECO40: Das Wissen um die tatsächlichen Wetterbedingungen ermöglichte im Bedarfsfall eine Anpassung der Route, damit sie durch ruhigere Gewässer führte. „Die von den drei GPS-Empfängern erfassten Messungen können Aufschluss über den Wellengang geben“, so Miceli.

Zwei der drei hochpräzisen GPS-Empfänger von Leica Geosystems wurden links und rechts am Heck entlang der Querachse des Boots angebracht, während sich der dritte in der Nähe des Einstiegs an der Längsachse befand. Die Daten wurden vom System im Zuge der Navigation gesammelt und von jedem Empfänger auf einer SD-Karte gespeichert. Ihre Auswertung erfolgte nach der Bergung der Karten.

Dabei wurde auf zwei unterschiedliche Verfahren zurückgegriffen:

  1. die „Variometric Approach for Displacements Analysis Standalone Engine“ (VADASE) und

  2. den kinematischen Ansatz mit beweglicher Basis.

Die beiden Verfahren ergänzten einander bei der Erfassung der Bewegung des Boots, während die Bootsbewegung wiederum zur Schätzung der Eigenschaften der Wellen herangezogen wurde.

Das erste Verfahren – der variometrische Ansatz – diente zur Berechnung der Stampf-, Roll- und Schlingerbewegungen des Boots. Mit dem zweiten – dem kinematischen Ansatz – wurde der Roll-, Nick- und Gierwinkel ermittelt, der zur Ableitung der Welleneigenschaften (d. h. das Richtungswellenspektrum) diente.

Wenn schnelle Bewegungen erfasst und ihre Auswirkungen plötzlich bewertet werden müssen, kann Leica VADASE den Forschern helfen, sofort fundierte Entscheidungen zu treffen. Die Lösung bietet gegenüber der herkömmlichen GNSS-Überwachung einen Mehrwert, da sie genaue Geschwindigkeitsinformationen basierend auf einem eigenständigen GNSS-Empfänger liefert, der permanent in Echtzeit für die präzise und zuverlässige Analyse schneller Bewegungen bereitsteht.

Die Leistungsdaten des Boots (d. h. Geschwindigkeit und Kurs über Grund) können die Schätzung der tatsächlichen polaren Geschwindigkeitskurven des Boots ermöglichen. Tatsächlich wurden diese Kurven zur Vorhersage der optimalen Route durch das Team an Land mithilfe einer Software zur Routenoptimierung verwendet. Diese Prognosen wurden täglich an Miceli übermittelt.

Die tatsächlichen polaren Geschwindigkeitskurven des Boots unterscheiden sich von den theoretischen, von denen der Konstrukteur des Boots ausging. Dafür gibt es mehrere Gründe, u. a. die Fähigkeit der Crew, die maximale Leistung aus dem Boot herauszuholen, und das Vorhandensein von Wellen, die bei der Berechnung der Kurven in der Regel nicht berücksichtigt werden.

Diese Daten dienen vor allem zwei zentralen technischen und wissenschaftlichen Zwecken:

  1. der Kalibrierung bzw. Verifizierung der numerischen Modelle, die zur Prognose von Wind und Wellen herangezogen werden und/oder zur Meeresuntersuchung und Kalibrierung der Fernerkundungsdaten (wie z. B. satellitengestützter Wind- und Wellenmessungen) sowie

  2. der Gewinnung von Erkenntnissen in Bezug auf das Bootsdesign. Tatsächlich können Kenntnisse über die Bewegung und Belastung dieser Art von Booten in Verbindung mit Daten über die Reaktion der Materialien auf die Dauerbeanspruchung den Planungsprozess wesentlich verbessern.

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AUSWERTUNG DER MESSUNGEN

Zum ersten Mal überhaupt wurden bei dieser Weltreise die Bewegungen eines Segelboots mittels GNSS genau gemessen und Daten über Satellit übermittelt. Was die meteorologisch-ozeanografischen Bedingungen und die Krängung des Boots angeht, so verzeichnete die ECO40 am 21./22. Oktober 2014 im Golfe du Lion ihren ersten Sturm. Die Ermittlung der Krängung des Boots erfolgte durch die Auswertung der GPS-Signale anhand eines kinematischen Ansatzes mit beweglicher Basis. So konnte während des gesamten Wettergeschehens der Krängungswinkel α des Boots geschätzt werden.

„In Bezug auf die meteorologisch-ozeanografischen Bedingungen haben wir den Sturm auf der Grundlage der Winddaten, die uns praktisch in Echtzeit vom Boot übermittelt wurden, analysiert“, erklärt Professor De Girolamo. Die Winddaten wurden mithilfe eines an der Mastspitze angebrachten Anemometers gemessen. Der erste Abgleich erfolgte mit Daten des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), der zweite unter Verwendung der Prognosedaten des numerischen GFS-Modells (Global Forecast System).

In Verbindung mit den Ergebnissen der Krängungsanalyse zeigte dieser Abgleich, dass die Höhe, in der die Windmessung erfolgt, eine wichtige Rolle spielt. Die korrigierten Windmessungen sind mit den Ergebnissen der numerischen Modelle vergleichbar: eine gute Übereinstimmung zeigt sich innerhalb der ersten 60 Stunden. Nichtsdestotrotz lässt sich während der Sturmspitze eine merkliche Abweichung zwischen den gemessenen und den projizierten Winddaten feststellen.

Der Direktvergleich zwischen der Vorhersage und den gemessenen Windgeschwindigkeiten ergab hier deutliche Unterschiede. In diesem Fall setzte die Prognose die Windgeschwindigkeiten bei schwerem Sturm 50 Prozent zu niedrig an. Die Forscher und Professoren veröffentlichten einen wissenschaftlichen Artikel zum Vergleich von gemessenen und geschätzten Winddaten.

„Trotz des abrupten Endes der Reise reichten die mit dem GNSS-Empfänger Leica GR25 und der Antenne Leica AS10 erfassten Daten aus, um ozeanografische Angaben zum besseren Verständnis unserer Meere zu sammeln und Technologien zum Nutzen der Menschheit weiterzuentwickeln“, so Frank Pache, Senior Product Manager für GNSS-Netzwerke und Basisstationen bei Leica Geosystems.

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