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Praxistest in der Ostsee: Forscher haben einen Proberohrknoten mit zwei Demonstratoren der neuen Sensor-Manschette ausgerüstet. Bild: Fraunhofer IKTS
Windkraft

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Roboter-Doktor unter Wasser

Besonders die Fundamente von Offshore-Windanlagen sind widrigen Bedingungen ausgesetzt. Künftig soll ein Roboter per Sensor-Manschette mögliche Schäden schneller und einfacher entdecken als Taucher es können. So soll die Lebensdauer der Anlagen erhöht werden.

Die Wellen peitschen gegen die Masten der Offshore-Windanlagen, der Wind rüttelt an den Rotoren. Der Fuß der Anlage – unter Wasser, nahe dem Meeresboden – muss daher starke Beanspruchungen überstehen. Auch aggressives Salzwasser schädigt die Fundamente. Künftig soll ein Roboter diese auf Schäden überprüfen, da für Taucher diese Aufgabe riskant und langwierig ist. Für den Roboter, ein kastenförmiges Remote Operating Vehicle, kurz ROV, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS gemeinsam mit Partnern aus der Industrie die Basis gelegt. »Wir haben eine Sensor-Manschette entwickelt, mit der sich die Messungen vereinfachen und künftig automatisiert durchführen lassen«, sagt Andreas Schnabel, Projektmanager am IKTS.

In regelmäßigen Abständen begeben sich Taucher hinab in die Tiefe und überprüfen die besonders gefährdeten Schweißnähte an den Verankerungen der Anlagen. Dafür befreien sie die Schweißnaht zunächst mit einem Hochdruck-Gerät von Bewuchs wie Algen und Muscheln. Anschließend legen sie ein elektromagnetisches Feld an die Schweißnaht an und geben Eisenspäne darauf. Ist irgendwo ein Riss, dringt das Feld verstärkt nach außen – die Eisenspäne lagern sich dort an. Eine schwierige Arbeit für die Taucher: Sie müssen viele Geräte mit in die Tiefe nehmen, starken Strömungen standhalten und genügend Zeit einplanen, um sich an die jeweiligen Wasserdrücke auf dem Tauchgang zu gewöhnen. Die Inspektion einer Anlage dauert bislang etwa einen Tag.

Das neue ROV-System bietet zahlreiche Vorteile. Es ist weitaus genauer als die bisherigen Methoden: Es analysiert beispielsweise auch die Ausmaße und die Tiefe des Risses, was bislang nicht möglich war. Zudem geht die Untersuchung sehr viel schneller vonstatten als die mühselige Handarbeit – bereits nach zehn Minuten ist sie abgeschlossen. „Das Herzstück bildet eine Sensormanschette, die um die Schweißnaht gelegt wird und über die Anlagenlebensdauer dort verbleibt“, erläutert Schnabel. Diese Manschette besteht aus zahlreichen Sensorelementen, die in Abständen von fünf bis sieben Zentimetern wie an einer Perlenschnur aufgereiht sind. Für die Messung koppelt zunächst der Taucher ein Handgerät über eine Schnittstelle an die Manschette an und startet die Untersuchung per Knopfdruck. Künftig soll der Roboter diese Aufgabe übernehmen. Gleichzeitig sorgt das Handgerät über Akkus für die nötige Energie. Das aufwändige Reinigen mittels Hochdruck entfällt. Reihum fungiert nun eines der Sensorelemente als Aktor. Sprich: Es bringt Ultraschallwellen in die Schweißnaht ein, die die gesamte Struktur durchdringen. Befindet sich irgendwo ein Riss, werden die Wellen an dieser Störstelle reflektiert, während sie durch die intakten Bereiche ungehindert hindurchgehen. Die anderen Sensoren detektieren die Signale und spüren Fehlerstellen auf diese Weise auf. Anschließend dient der nächste Sensor als Aktor. Er überträgt die Daten per Kabel auf das Handlesegerät, das am PC ausgelesen wird. Auf diese Weise erhalten die Forscher Daten, die denen einer Computer-Tomographie beim Arzt ähneln. Der Endanwender, also der Prüfer der Offshore-Anlage, erhält ein Bild der Schweißnaht, auf dem Fehlstellen je nach Relevanz farbig markiert sind.

In einem Vor-Ort-Test im Offshore-Windpark Baltic 1 konnten die Forscher gemeinsam mit ihren Kollegen von Baltic Taucher aus Rostock bereits zeigen, dass das Verfahren funktioniert. Dazu versahen sie ein verzweigtes Metallrohr mit einem 0,9 Millimeter breiten, 45 Millimeter langen und 7 Millimeter tiefen Riss und brachten es auf den Meeresgrund der Ostsee in 18 Metern Tiefe. Das System konnte den Riss sehr genau detektieren und sowohl seine Länge, seine Höhe als auch seine Tiefe bestimmen. In etwa fünf Jahren könnte das System zertifiziert und per Roboter einsatzbereit sein, hoffen die Forscher. Somit wollen sie die Lebensdauer der Anlagen nachhaltig sichern und die Energiewende unterstützen.

Ein solches System präsentieren die Wissenschaftler auf der Hannover-Messe vom 25. bis 29. April 2016 in Halle 2, Stand C16/C22.

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