Die Erfindung betrifft eine Meeresbodenmessungen-Messeinheit umfassend eine Datenverarbeitungseinheit, eine Batterieeinheit, eine interne Sensoreinheit, ein druckfestes Gehäuse, einen externen Sensor mit externer Kommunikationseinheit, einen Auftriebskörper, einen wasserdichten Anschluss, eine Auslöseeinheit, eine Ortungseinheit, ein Gewicht und ein Band zur Befestigung des Gewichts an der Messeinheit.

Ferner betrifft die Erfindung ein Meeresbodenmessungen-Messeinheiten-Sensorschwarm- Einsatzverfahren mit einem Meeresbodenmessungen-Messeinheiten-Sensorschwarm mit einer Vielzahl von Meeresbodenmessungen-Messeinheiten.

Aus dem Stand der Technik ist die DE 102016003 926 B4 bekannt, die eine Messsonde zeigt, die ozeanografische Parameter in Tiefenprofilen aufnimmt und dabei autonom auf und absteigen kann.

Die DE 103 10550 A1 zeigt ein ferngesteuertes Gewässeruntersuchungssystem für Messungen an der Wasseroberfläche. Die DE 202015003808 U1 und DE 102014 113292 A1 zeigen ähnliche Vorrichtungen, die als Messbojen für den ozeanografischen Einsatz ausgelegt sind.

Die WO 2017/102289 A1 zeigt eine Combined marine seismic and electromagnetic survey configuration, die zwei bekannte geophysikalische Messverfahren kombiniert.

Aus der DE 102005042213 A1 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Messdaten aus der Tiefsee bekannt.

Aus der US 5,690,047A, die einen Buoyant Anchorage mechanism zeigt, ist eine technische Detaillösung zum Loslösen und Aufsteigen eines am Meeresboden befindlichen Körpers bekannt.

Die DE 102010 011 186 B4 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Visualisierung von räumlich verteilten Informationen in einem Frühwarnsystem, welches ein Konzept zur Verarbeitung von Daten zur Früherkennung umfasst.

Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass herkömmliche Meeresbodenmessgeräte (z.B. Ozeanbodenseismometer) äußerst robust und für Einsätze in mehreren tausend Metern Wassertiefe ausgelegt sind. Sie sind daher teuer in der Anschaffung und durch ihre Größe und Gewicht mit hohen Mobilisierungskosten verbunden, was den Umfang von möglichen Beobachtungen enorm einschränkt. Weiter sind derartige Messgeräte Einzelmessstationen, die ohne Kommunikation arbeiten, so dass die Daten verloren sind, wenn das Gerät verloren geht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mithilfe modularer Meeresbodensensoren massenhafte Beobachtungen in kosteneffizienten, flexiblen Netzwerken zur geophysikalischen, geodätischen und ozeanographischen Untersuchung des Meeresbodens, des Untergrundes und der Wassersäule zu machen, diese aufzuzeichnen, zu verarbeiten und im Netzwerk zu kommunizieren.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Meeresbodenmessungen-Messeinheit gemäß Hauptanspruch sowie weiter auch mit einem Meeresbodenmessungen-Messeinheit- Sensorschwarm gemäß nebengeordnetem und abhängigem Anspruch sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren.

Die Meeresbodenmessungen-Messeinheit umfasst eine Datenverarbeitungseinheit, eine Batterieeinheit, eine interne Sensoreinheit, ein druckfestes Gehäuse, einen externen Sensor mit externer Kommunikationseinheit, einen Auftriebskörper, einen wasserdichten Anschluss, eine Auslöseeinheit, eine Ortungseinheit, ein Gewicht und ein Band zur Befestigung des Gewichts an der Messeinheit.

Insbesondere ist die Einfachheit der Einheit als geophysikalisches Messgerät von besonderer wirtschaftlicher und messtechnischer Bedeutung. Durch diese einzelne kostengünstig herstellbare Meeresbodenmessungen-Messeinheit ist es möglich, Beobachtungen von geophysikalischen und/oder geodätischen und/oder ozeanographischen Meeresereignissen sowie weiter des Meeresbodens, des Untergrundes und der Wassersäule durchzuführen.

Durch das Zusammenschalten mehrerer einzelner Meeresbodenmessungen-Messeinheiten zu einem Gesamtverband ist es möglich, einen Meeresbodenmessungen-Messeinheiten- Sensorschwarm auszubilden, der als großer Sensor zusammengeschaltet werden kann, wodurch eine Überwachung bzw. eine Beobachtung eines großen Bereiches des Meeres möglich wird.

Die Erfindung ermöglicht durch die Art und Weise des Aufbaus und die Kombination von bekannten Standardkomponenten in einem erfinderischen System den Einsatz von vielen hunderten bis tausenden von Meeresbodensensoren - zum Preis einiger weniger der derzeitig erhältlichen Meeresbodensensoren - in Messnetzwerken aufzustellen und so völlig neue meereswissenschaftliche Experimente durchzuführen, die durch die bisherigen selektiven Messmöglichkeiten nicht möglich sind, wie z.B. großflächige bzw. eine dichtere Abtastung eines Wellenfeldes oder Vermessung ganzer Strömungsfelder. Insbesondere können durch den Einsatz von moderner Computer- und Mobilfunktechnologie selbst unter Beachtung von Abstrichen bei der geodätischen Genauigkeit erfolgreich Meeresbodenmessungen durchgeführt werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei entsprechender Ausgestaltung des Auftriebs durch Variation des Gewichts jede Tiefe in der Meereswassersäule erreicht werden kann.

Der Meeresbodenmessungen-Messeinheiten-Sensorschwarm umfasst mehrere Messeinheiten, die Meeresbodenmessungen-Messeinheiten, die Sensordaten in situ aufzeichnen, verarbeiten und dabei miteinander im Netzwerk des Schwarms kommunizieren.

Der Meeresbodensensorschwarm ist ein aquatisches Sensornetzwerk und besteht aus mehreren unabhängig voneinander messenden, intelligenten Messeinheiten, welche Messdaten und Analyseergebnisse untereinander und bei Bedarf aus dem Netzwerk heraus kommunizieren können.

Die einzelnen Messeinheiten sind modular aufgebaut und das Sensornetzwerk kann daher flexibel den Erfordernissen angepasst und mit verschiedenen geophysikalischen, geodätischen, chemischen und optischen Sensoren bestückt werden. Damit kann es verschiedenste submarine Messungen durchführen.

Die eingehenden Daten beliebiger Sensoren werden durch den Computer in Echtzeit kontinuierlich oder Trigger-gesteuert aufgezeichnet, analysiert und bzw. oder gespeichert. Die Analyseergebnisse der Messeinheiten können untereinander akustisch oder optisch transferiert und dezentral im Netzwerk oder gebündelt weiterverarbeitet oder gespeichert werden. Das Netzwerk kann entweder mit gleichausgestatteten oder spezialisierten Messeinheiten bestückt werden.

Eine Möglichkeit für Kommunikationsschnittstellen aus dem Netzwerk heraus stellen zum Beispiel Bojen bereit, die mit Möglichkeiten zur Satellitendatenübertragung ausgestattetet sind. Der Meeresbodensensorschwarm kann für verschiedene Aufgabenbereiche verwendet werden, welche mit aufsteigender Komplexität das reine (A) Aufzeichnen von Signalen, (B) multisensorisches flächenhaftes Monitoring und (C) Frühwarnsysteme umfassen:

(A) Aufzeichnung von Signalen für

- Aktive und passive Hydroakustik (Seismik, Seismologie, “Ambient Noise)”

- Magnetotellurik und aktive elektromagnetische Messungen (CSEM)

- Meeresbodendeformation (Neigung, vertikale und horizontale Verschiebungen)

- Ozeanographische Messungen (Gasemissionen, pH-Wert, Salinität, Temperatur)

- Video- und Photographie

- Kombinierte Multisensormessungen (B) Monitoring

- Überwachung von geotechnischen Anwendungen unter dem Meeresboden (Förderung von Kohlenwasserstoffen, Verpressung von Kohlendioxid oder Abwässern)

- Akustische Überwachung von Meerestieren

- Akustische Überwachung des Umwelteinflusses von Bau- und Explorationstätigkeiten (Bau von offshore-Windkraftanlagen, Bohrungen)

(C) Frühwarnsysteme

- Überwachung der Stabilität von submarinen Hängen (Vulkaninseln und Kontinentalhänge)

- Überwachung von Verwerfungen und Störungszonen

- Tsunamifrühwarnsysteme

- Überwachung von Umweltfaktoren (Algenblüten, Sauerstoffminimumzonen).

Anwendungen durch den erfinderischen Meeresbodensensorschwarm zeichnen sich durch die große Anzahl der zum Einsatz kommenden Messeinheiten aus. Die hohe Anzahl und der gleichzeitige Einsatz mehrerer Sensoren erlaubt das Aufzeichnen mariner Daten in bisher nicht dagewesener Auflösung und ermöglicht vollkommen neue Messkonfigurationen. Mögliche Einsatzgebiete sind unter anderen (A) seismische Tomographie und (B) die Überwachung von submarinen Kohlendioxidspeicherstätten.

Seismische Tomografieexperimente zielen darauf ab geologische Strukturen im Untergrund seismisch zu durchstrahlen und dadurch Anomalien in den seismischen Geschwindigkeiten zu bestimmen. Geschwindigkeitsanomalien deuten auf das Vorhandensein von Störungen, anormale Materialien oder Fluidmigrationspfade hin.

Bei herkömmlichen Tomografieexperimenten werden in der Regel 10 bis 20 Ozeanbodenseismometer an vorher genau festgelegten Stationen ausgebracht. Bei der Planung der Messkonfiguration müssen derzeit immer systembedingte Kompromisse zwischen der Auflösung und Abdeckung eingegangen werden, wie z.B. je geringer der Abstand, desto höher die Auflösung. Gleichzeitig ist die Anzahl der eingesetzten Geräte auf Grund der Größe und des Gewichts derzeitig bekannter Geräte stark eingeschränkt. Beim Einsatz des Meeresbodensensorschwarms können hingegen mehrere hunderte Messeinheiten bei einem vergleichbaren zeitlichen und logistischen Aufwand zu bekannten Systemen effizient eingesetzt werden (vgl. Abbildung 2). Die eingesetzten Sensoren werden dabei nicht an vorher festgelegten Stationen, sondern während der Fahrt ausgesetzt. Durch die dann ausgesendeten seismischen Signale und genauen geografischen Informationen der Position der seismischen Quelle während jedes Einzelsignales kann die Position jeder Messeinheit präzise ermittelt werden. Der Meeresbodensensorschwarm erlaubt damit erstmalig den Einsatz eines sehr dichten und gleichzeitig großen Messnetzwerks, das um ein vielfaches höher aufgelöste Messungen ermöglicht, die mit deutlich größerer Signalschärfe in einer größeren räumlichen Abdeckung erfolgt als es konventionelle, derzeit bekannte Tomografieexperimente erlauben.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Überwachung von submarinen

Kohlendioxidspeicherstätten (vgl. Abbildung 2). Für diese muss gewährleistet werden, dass das verpresste Kohlendioxid (C02) innerhalb der Speicherformation bleibt und nicht entlang natürlicher oder induzierter Wegsamkeiten zum Meeresboden migriert und ins Meer entweicht. Durch die Verwendung des erfinderischen Meeresbodensensorschwarms mit Messeinheiten, die zumindest mit Seismik-, Druck- und Chemiesensoren ausgestattet sind, ist diese Überwachungsmöglichkeit gegeben. Das Messnetzwerk misst so gleichzeitig großflächig und hochaufgelöst Bodenverformungen, Seismizität und die Wasserchemie, welche alle Hinweise auf mögliche Leckagen geben können. Die einzelnen Messeinheiten werden am Anfang des Monitorings im Gebiet der Verpressung ausgebracht und messen das gesamte Gebiet kontinuierlich. Sollte der Schwellwert eines der gemessenen Parameter überschritten werden, löst die Messeinheit aus, taucht auf und übermittelt die Informationen an eine nahelegende Plattform über Mobilfunk. Lösen mehrere Sensoren gleichzeitig aus, deutet dies auf eine Veränderung im Untergrund hin, die dann genauer untersucht werden kann. Der Meeresbodensensorschwarm überwacht die Kohlendioxidspeicherstätte dauerhaft, indem Messeinheiten, deren Batterie aufgebraucht sind, einfach durch neue Messeinheiten ausgetauscht werden.

Der Aufbau der erfinderischen Messeinheit für Meeresbodenmessungen ist im Vergleich zu bekannten Meeresbodenmessgeräten um ein Vielfaches kleiner, leichter und damit einfacher.

Damit einher geht die einfachere und kostengünstige Massenproduktion was den Einsatz großer Zahlen von Messeinheiten innerhalb eines Meeresbodensensorschwarms erst ermöglicht. Die erfinderische Messeinheit für Meeresbodenmessungen ist bevorzugt modular aufgebaut und in einem druckfesten Gehäuse untergebracht (vgl. Abbildung 3).

Die beispielhaft gezeigte Messeinheit der Abbildung 3 besteht aus einer Batterieeinheit und einer Datenverarbeitungseinheit, welche aus einem Computer mit Platinen-basierten Sensoren (z.B. Lagesensoren, Mikrofon, Magnetometer), digitalen und analogen Signaleingängen und einem Datenspeicher aufgebaut ist. Zusätzlich können im Gehäuse bedarfsabhängig zusätzliche interne Sensoren (z.B. Geophone für seismische oder seismologische Messungen) oder zusätzliche Batterien ergänzend eingebaut werden. Die einzelnen Komponenten sind modular aufgebaut und können so einfach ausgetauscht und durch standardisierte Steckverbindungen zusammengefügt werden. Zusätzlich können externe Sensoren, wie Hydrophone, Kameras und chemische Sensoren, wie auch akustische und optische Kommunikationssysteme außerhalb des Druckgehäuses angebracht werden und mit der Datenverarbeitungseinheit verbunden werden. Die Messeinheit wird mit Hilfe von zumindest einem Gewicht an den Meeresboden gebracht und kehren nach einer vorgegebenen Zeit oder Trigger gesteuert durch Loslösen dieses Gewichtes durch die Auslöseeinheit mit Hilfe der festangebrachten Auftriebskörper wieder zur Meeresoberfläche zurück. Dort hilft das Ortungssystem (mit Hilfe von Blitzlicht, Signalflagge, Funk oder Satellitentelefonie die Bergung der Messeinheit zu erleichtern.

Verfahrenstechnisch einfach ausgedrückt erfolgt zunächst ein Ausbringen einer Vielzahl von Messeinheiten, wobei diese absinken und daraufhin Daten sammeln, wieder aufsteigen und eingesammelt werden können, um letztendlich wiederverwendet zu werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass durch den geringen Herstellungspreis eine verlorene Messeinheit nicht erheblich ist.

Weiter ist das Meeresbodenmessungen-Messeinheiten-Sensorschwarm-Einsatzverf ahren ausgebildet mit einem Meeresbodenmessungen-Messeinheiten-Sensorschwarm mit einer Vielzahl von Meeresbodenmessungen-Messeinheiten, wobei zumindest die nachfolgenden Schritten A-D ausgeführt werden:

A.) Vorbereiten und Ausbringen der Messeinheiten:

1. Öffnen des Druckgehäuses der jeweiligen Messeinheit und Einbauen und Verbinden der für den Einsatz benötigten Sensoren und Batterien;

2. Befestigen des Gehäuses am Gewicht und Spannen des Befestigungsbandes mit Hilfe der Auslöseeinheit;

3. Programmieren der Datenverarbeitungseinheit mit Hilfe von drahtlosen Netzwerk,

WLAN, Bluetooth und Starten des Aufzeichnen;

4. Aussetzen der Meeresbodenmessungen-Messeinheiten im Arbeitsgebiet von einem Boot ins Wasser und Absinkenlassen der Meeresbodenmessungen-Messeinheiten zum Meeresboden, wobei ein laufendes Aussetzen während der Fahrt erfolgt;

B.) Messen und Echtzeitdatenverarbeitung:

1. Digitalisieren der gemessenen Signale und Speichern und Auswerten mit Hilfe von Zeitreihenanalysealgorithmen und weiteres Speichern der Ergebnisse;

2. akustisches oder optisches Übertragen der Ergebnisse der Auswertung gegebenenfalls innerhalb des Netzwerkes oder zu einer externen Kommunikationseinheit oder Boje;

3. bedarfsweises Anpassen von Messparametern durch über die Kommunikationseinheit oder Boje übertragene externe Anweisungen;

C.) Beenden der Messung und Bergung:

1. Auslösen der Auslöseeinheit

- zu einem vorgegebenen definierten und programmierten Zeitpunkt oder

- durch ein Signal über eine akustische Deckseinheit oder die externe Kommunikationseinheit oder Boje;

2. Trennen der Verbindung zwischen Meeresbodenmessungen-Messeinheiten und Gewicht durch die Auslöseeinheit

3. Aufsteigenlassen der Meeresbodenmessungen-Messeinheiten durch den Auftrieb zur Meeresoberfläche;

4. Auslösung der Ortungseinheit und Aktivierung von Blitzlicht, Signalflagge, Funk und/oder Satellitentelefonie;

5. Einwählen der aufgetauchten Meeresbodenmessungen-Messeinheiten in ein Mobilfunknetz, wobei dieses entweder bei Küstennähe bereits besteht oder an Bord eines Schiffes für diesen Einsatz errichtet wird, und Übertragen der Daten und Analyseergebnisse;

6. Bedarfsweises Ansteuern der georteten Meeresbodenmessungen-Messeinheiten durch das Bergungsteam an Bord eines Schiffes und Bergen mit Hilfe eines Keschers, Netzen oder eines Wurfhakens oder einer schwimmenden Barriere;

D.) Sicherung der Daten:

1. Beenden der Messung über das drahtlose Netzwerk

2. Übertragen der Daten oder Analyseergebnisse drahtlos auf einen Computer.

Detaillierter oder auch anders ausgestaltet oder auch als besonderes Ausführungsbeispiel ergibt sich für die Verfahrensschritte für den Einsatz eines Meeresbodenmessungen-

Messeinheiten-Sensorschwarm für Meeresbodenmessungen mit einer Vielzahl derartiger erfinderischer Messeinheiten für Meeresbodenmessungen umfassend die folgenden Schritte:

(A) Vorbereitung und Ausbringen der Messeinheiten

1. Das Druckgehäuse der jeweiligen Messeinheit wird geöffnet und die für den Einsatz benötigten Sensoren und Batterien eingebaut und verbunden.

2. Das Gehäuse wird am Gewicht befestigt und das Befestigungsband wird mit Hilfe der Auslöseeinheit gespannt.

3. Die Datenverarbeitungseinheit wird mit Hilfe von drahtlosen Netzwerk (WLAN, Bluetooth) programmiert und das Aufzeichnen gestartet. 4. Die Messeinheiten werden im Arbeitsgebiet von einem Boot aus ins Wasser gesetzt und sinken zum Meeresboden. Hierbei kann wegen der großen Anzahl auf Genauigkeit beim Absetzen verzichtet werden und die Messeinheiten können während der Fahrt laufend ausgesetzt werden.

(B) Messung und Echtzeitdatenverarbeitung

1. Die gemessenen Signale werden digitalisiert und:

1.1. Gespeichert.

1.2. Mit Hilfe von Zeitreihenanalysealgorithmen ausgewertet und deren Ergebnisse gespeichert.

2. Ergebnisse der Analyse werden gegebenenfalls innerhalb des Netzwerkes oder zu einer externen Kommunikationseinheit (z.B. Boje) akustisch oder optisch übertragen.

3. Messparameter werden gegebenenfalls durch externe Anweisungen, die über die Kommunikationseinheit (z.B. Boje) übertragen werden, angepasst.

(C) Beenden der Messung und Bergung

1. Die Auslöseeinheit wird:

1.1. An einem vorher definierten und programmierten Zeitpunkt ausgelöst

1.2. Oder durch ein Signal über eine akustische Deckseinheit, die externe Kommunikationseinheit (z.B. Boje) ausgelöst.

2. Die Auslöseeinheit trennt die Verbindung zwischen Messeinheit und Gewicht.

3. Die Messeinheit steigt durch den Auftrieb zur Meeresoberfläche auf.

4. Die Ortungseinheit löst aus und Blitzlicht, Signalflagge, Funk oder Satellitentelefonie werden aktiv.

5. Die aufgetauchten Messstationen können sich in ein Mobilfunknetz einwählen, das entweder schon besteht (küstennah) oder an Bord eines Schiffes für diesen Einsatz errichtet wird und die Daten und Analyseergebnisse übertragen.

6. Das Bergungsteam an Bord eines Schiffes steuert die georteten Messeinheiten an und birgt diese bei wenigen Messeinheiten mit Hilfe eines Keschers, Netzen oder eines Wurfhakens und bei vielen Geräten mit einer schwimmenden Barriere. Aufgrund der niedrigen Kosten und der schon erfolgten Datenübertragung ist eine Bergung aber nicht zwingend notwendig.

(D) Datensicherung

1. Die Messung wird über das drahtlose Netzwerk beendet.

2. Die Daten oder Analyseergebnisse werden drahtlos auf einen Computer übertragen.

In den anliegenden Abbildungen wird gezeigt:

Abb. 1 ein Netzwerk zur seismischen Tomographie; Abb. 2 ein Meeresbodensensorschwarm zur Überwachung einer submarinen Kohlendioxidspeicherstätte und

Abb. 3 eine konzeptionelle Zeichnung einer Messeinheit.

In Abb. 1 ist eine konzeptionelle Zeichnung eines Netzwerks zur seismischen Tomographie dargestellt.

Abb. 2 zeigt eine konzeptionelle Zeichnung eines Meeresbodensensorschwarms zur Überwachung einer submarinen Kohlendioxidspeicherstätte.

In Abb. 3 ist eine schematische Darstellung einer Messeinheit mit Datenverarbeitungseinheit, Batterieeinheiten, interne Sensoreinheit, druckfestes Gehäuse, externer Sensor, externe Kommunikation Auftriebskörper, wasserdichte Anschlüsse, Auslöseeinheit, Ortungseinheit, Gewicht und Band zur Befestigung des Gewichts an der Messeinheit gezeigt.

Bezugszeichenliste

1 Datenverarbeitungseinheit

2 Batterieeinheiten

3 interne Sensoreinheit

4 druckfestes Gehäuse

5 externer Sensor mit externer Kommunikationseinheit

6 Auftriebskörper

7 wasserdichter Anschluss

8 Auslöseeinheit

9 Ortungseinheit

10 Gewicht

11 Band zur Befestigung des Gewichts an der Messeinheit