Ein Laser als Wächter
Häfen, Offshore-Windparks und Datenkabel sind das Rückgrat der Versorgungssicherheit und zunehmend bedroht. Am Institut für den Schutz maritimer Infrastrukturen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremerhaven wird erforscht, wie man sie am besten überwacht und schützt.
Wissenschaftler erproben auf einem See in der Umgebung von Bremerhaven Distributed Acoustic Sensing (DAS), um Über- und Unterwasserdrohnen aufzuspüren.
Fotos: DLR
Man mag sich die Szenarien nicht ausmalen – und muss sich doch darauf vorbereiten: gezielte Kollisionen in Windparks, zerstörte Pipelines oder gekappte Datenkabel. „Solche Sicherheitsbedrohungen gehen in der Regel von menschlichem Handeln aus, etwa durch Schiffe und andere Fahrzeuge, die sich in der Nähe dieser Anlagen bewegen“, sagt Frank Sill Torres, Direktor des DLR-Instituts für den Schutz maritimer Infrastrukturen in Bremerhaven. Potenziell gefährlich sind insbesondere Frachtschiffe ab etwa 100 Metern Länge. Für die Beschädigung von Datenkabeln, beispielsweise durch Schleppnetze, reichen auch kleinere Boote.
„Besonders schützenswert sind Windparks und insbesondere die zentralen Umspannplattformen dort“, stellt Sill Torres heraus. Eine weitere Bedrohung sind die Schiffe der sogenannten Schattenflotte, die häufig ihr AIS-Positionssignal (Automatic Identification System) abschalten oder manipulieren, um unentdeckt illegale Aktivitäten durchzuführen. „Die Herausforderung besteht darin, genau diese Schiffe zu identifizieren – jene, die unsichtbar bleiben wollen, oder solche, die sich als harmlose Fischerboote tarnen, obwohl es sich tatsächlich um schrottreife Tankschiffe handelt.“
Deshalb, so Sill Torres, sei es entscheidend zu wissen, was in der unmittelbaren Umgebung maritimer Anlagen geschehe. „Dafür ist die Lagebilderfassung, also die kontinuierliche Situationswahrnehmung, von zentraler Bedeutung“, unterstreicht der promovierte Elektrotechniker. Das DLR kann dabei auf eine langjährige Erfahrung aus der Luft- und Raumfahrt zurückgreifen und sowohl Satelliten als auch flugzeuggestützte Sensorsysteme zur Überwachung nutzen.
Die größte Herausforderung im maritimen Bereich seien die riesigen Wasserflächen. „Kameras lassen sich dort nicht flächendeckend einsetzen, und auch vorhandene Satelliten bieten keine lückenlose Überwachung“, erklärt der Direktor. Da sie die Erde umkreisen, entstehen zwangsläufig Beobachtungslücken in Raum und Zeit.
Zu teuer, zu kurz, zu lückenhaft
Theoretisch sei eine Überwachung zwar mit einer Großzahl von Satelliten möglich, doch dies ist mit sehr hohen Kosten verbunden und kaum finanzierbar. „Sicherheitslösungen dürfen nicht so teuer sein“, erläutert Sill Torres. Und Drohnen scheitern derzeit an ihrer begrenzten Einsatzzeit. „Selbst leistungsfähige Modelle mit bis zu zwölf Stunden Flugzeit müssten zweimal täglich zum Aufladen zurückkehren – für eine lückenlose Überwachung wären mehrere Drohnen gleichzeitig in der Luft nötig.“
Das am Institut laufende, vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 3,3 Millionen Euro geförderte Projekt „Analysesysteme zur Früherkennung kritischer unterseeischer Infrastrukturen (AFKUI)“ setzt deshalb auf einen anderen Ansatz. Es erweitert das Lagebild für Behörden um eine Unterwasserkomponente und demonstriert den Zusatznutzen einer Technologie, die keine Bilder liefert sondern lauscht. „Eine vielversprechende Technologie, an der wir forschen, ist das ‚Distributed Acoustic Sensing‘“, erläutert Enno Peters, Leiter der Arbeitsgruppe Sensorik am Institut. „DAS“, wie es abgekürzt heißt, meldet schlicht: Hier ist etwas. Dazu sendet ein gepulster Laser etwa jede Millisekunde Lichtpulse – also letztendlich 1.000 Hertz – in eine bis zu 100 Kilometer lange Glasfaser, etwa entlang eines Strom- oder Exportkabels zu einem Offshore-Windpark in Nord- oder Ostsee. Der entscheidende Trick liegt hier bei der Auswertung der Lichtphase: „Treffen eine Vibration oder ein akustisches Signal auf die Faser, verschiebt sich ihre Struktur minimal. Und das ist durch die Phase des Lichts messbar.“
Das Licht wird kontinuierlich zurückgestreut, und anhand der Laufzeit lässt sich genau bestimmen, aus welchem Abschnitt der Faser das Signal kommt. So lässt sich orten, wo etwas passiert, und erkennen, dass überhaupt etwas geschieht – ohne Kamera oder Sichtkontakt, sondern allein durch das Lauschen im Kabel. Zudem lassen sich weitere Informationen ableiten, etwa die Geschwindigkeit und die Größe eines Objekts.
Das Auslesegerät sieht aus wie ein gewöhnliches Serverrack, verwandelt aber ein 100 Kilometer langes Unterseekabel in einen Sensor. Die enormen Rohdaten werden direkt vor Ort analysiert, und verschickt wird am Ende nur eine Warnung.
Jedes Schiff hat seinen Klang
„Schiffe erzeugen vor allem durch Propeller und Motoren charakteristische Vibrationen, die sich über Wasser und Meeresboden ins Kabel übertragen“, erläutert Peters. Die Frequenzen liegen typischerweise zwischen 10 und 60 Hertz bei größeren Schiffen. „Da jedes Schiff ein leicht anderes Vibrationsprofil erzeugt, ist die Hoffnung groß, sie künftig klassifizieren zu können, ob großes oder kleines Schiff, Containerfrachter oder Schmuggelboot. Das ist ein spannendes, noch offenes Forschungsfeld.“ Die Signalqualität hängt dabei auch von der Verlegetiefe des Kabels im Sediment und der Wassertiefe ab. Die Hardware dafür ist keine Eigenentwicklung des Instituts, sondern eine bewährte Technologie, die beispielsweise schon an Bahnstrecken zur Zugortung und Überwachung eingesetzt wird.
Das System hat im Projekt zwei Anwendungsfelder. Beim Perimeterschutz wird ein Kabel gezielt um eine Infrastruktur verlegt, etwa ein LNG-Terminal, einen Windpark oder eine Hafeneinfahrt. Es reagiert, wenn sich etwas nähert, zum Beispiel ein Taucher, ein autonomes Unterwasserfahrzeug oder ein Motorboot bei Nacht. Keine Kamera würde das erfassen.
Das zweite Anwendungsfeld ist die Seeraumüberwachung. Dabei wird das vorhandene Unterseekabel zwischen Küste und Offshore-Windpark genutzt und das DAS-Gerät landseitig angeschlossen. Das Kabel wird zu einer Hydrophonkette, die alles registriert, was darüberfährt. Da das System erlaubte und verdächtige Schiffe gleichermaßen erkennt, ist die Verknüpfung mit anderen Datenquellen entscheidend. Meldet das Kabel ein Schiff ohne AIS-Signal, lässt sich per Radarsatellit nachprüfen, ob tatsächlich etwas da ist. Behörden können dann gezielt reagieren, etwa mit einer Drohne oder einem optischen Satellitenbild.
Dass dies in der Praxis funktioniert, soll 2029 bewiesen werden. Am Projektende steht eine Livedemo: Ein Schiff fährt mit abgeschaltetem AIS über das Kabel, ein autonomes Unterwasserfahrzeug taucht darunter hindurch – und das System soll beides erkennen und automatisch Alarm schlagen. (cb)
„Sicherheitsbedrohungen gehen in der Regel von menschlichem Handeln aus.“
Frank Sill Torres, Direktor des DLR-Instituts für den Schutz maritimer Infrastrukturen in Bremerhaven
„Schiffe erzeugen Vibrationen,
die sich über Wasser und Meeresboden ins Kabel übertragen.“
Enno Peters, Leiter der Arbeitsgruppe Sensorik
am Institut
Fakten
DLR-Institut für den Schutz maritimer Infrastrukturen
Gründung: 2017 als eines von sieben neuen DLR-Instituten
Standort: Bremerhaven
Ziel: maritime Infrastrukturen durch angewandte Forschung gemeinsam mit allen Beteiligten besser schützen, das heißt, Gefahren früh erkennen, gezielt abwehren und auf neue Bedrohungen flexibel reagieren.
Mitarbeiter: 75
