Die tiefe Biosphäre umfasst eine diverse aber nur wenig untersuchte Gemeinschaft aus Mikroorganismen in Sedimenten und Gesteinen. Mikrobiologische und geochemische Untersuchungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass bakterielles und archeales Leben weit verbreitet ist in marinen Sedimenten und sich dort bis in Tiefen von mehreren Kilometern unter dem Ozeanboden erstreckt und noch in über hundert Millionen Jahre alten Ablagerungen überdauert. Bestimmungen von Zellzahlen und deren Extrapolation auf einen globalen Maßstab legen den Schluss nahe, dass die marine tiefe Biosphäre ein bedeutendes Reservoir an Kohlenstoff darstellt und durch ihren Stoffwechselreaktionen direkten Einfluss auf das Leben an der Erdoberfläche nimmt. Obwohl Mikroorganismen der tiefen Biosphäre somit vermutlich einen enormen Einfluss auf globale Stoffkreisläufe ausüben, ist vergleichsweise wenig über ihre Zusammensetzung und Aktivität mit zunehmender Sedimenttiefe und zwischen den unterschiedlichen Regionen der Weltmeere bekannt. Ein Bereich der Ozeane, für den zurzeit so gut wie keine Informationen hinsichtlich der Verbreitung und Zusammensetzung der tiefen Biosphäre vorliegt, ist der Kontinentalrand der Westantarktis. IODP Expedition 379 hat in dieser Region zwei kontinuierliche und überwiegend ungestörte Sedimentabfolgen von exzellenter Qualität erbohrt. Diese erlauben es erstmalig die tiefe Biosphäre in marinen Sedimenten der West Antarktis bis in eine Tiefe von ca. 800 m unter dem Meeresboden zu untersuchen. Änderungen im Porenwasserchemismus, wie das Aufzehren von Sulfat und das plötzliche Auftreten von Methan in einer Tiefe von ca. 670 Metern unter dem Meeresboden, liefen erste Hinweise auf die Existenz einer tiefen Biosphäre in dieser bis jetzt wenig untersuchten Region. Um die Gesellschaft an Mikroorganismen und die durch sie durchgeführten Prozesse qualitative und quantitative zu erfassen, wird in diesem Projekt ein Multiproxyansatz gewählt, der aus der Mengenbestimmung und Identifizierung von Verteilungsmustern von intakten polaren Lipiden, der Kohlenstoffisotopie leichter Kohelnwasserstoffe und direkten Zellzählungen besteht. Diese Untersuchungen werden durch komplementäre phylogenetischen Analysen und Kultivierungsexperimenten ergänzt. Ergebnisse der hier geplanten Untersuchungen werden damit neue Erkenntnisse hinsichtlich der Zusammensetzung und Verteilung der mikrobiellen Vergesellschaftung in einer Region unseres Planeten führen, welche mit Blick auf die tiefe Biosphäre komplettes Neuland darstellt.
Fraunhofer IWES steht mit seinen F&E-Aktivitäten für eine Beschleunigung des Ausbaus der Windenergie auf See. Das betrifft die Untergrunderkundung ebenso wie die Aufbereitung & Bereitstellung von Baugrundparametern für das technische Design von Offshore-Gründungsstrukturen. IWES hat im Anschluss an die Entwicklung seismischer Erkundungsmethoden einen Workflow für die integrierte Interpretation der geophysikalischen & geotechnischen Daten entwickelt, und A. um Bodenprofile relevanter Parameter an Lokationen ohne direkte Baugrundaufschlüsse zu erzeugen (synthetische CPT). Der Bedarf an innovativen Lösungen im Bereich der Baugrundmodellierung besteht, wie letzte Ausschreibungen von Behörden wie RVO (= Rijksdienst voor Ondernemend Nederland) & d. BSH zeigen. Statistische Analysen sind gefordert, um eine reguläre Nutzung synthetischer Baugrundprofile durch Einsatz zertifizierten Analysewerkzeugs zu ermöglichen. IWES & GuD stellen sich der Herausforderung, anknüpfend an existierende geostatistische Methoden, ein probabilistisches Baugrundmodell zu entwickeln. Dadurch wird eine Quantifizierung aller mit der Beschreibung des Baugrundes assoziieren Unsicherheiten (z.B. Heterogenität des Baugrundes, Messunsicherheiten usw.) erreicht, so dass im Ergebnis an jedem Modellpunkt bemessungsrelevanten Baugrundparameter 'mit Sicherheiten behaftet' abgeleitet werden können. Dazu sind sämtliche input-Größen in das Modell mit Streuungen zu integrieren. Das umfasst geophysikalische & geotechnische Mess- & Versuchsergebnisse sowie Modellunsicherheiten in interpolierten Bereichen. Eine umfassende statistische Analyse aller seismischen & geotechnische Informationen soll es ermöglichen, laterale Änderungen der relevanten geotechnischen Parameter zu quantifizieren. Geplant ist ein dreijähriges Forschungsprojekt durch Fraunhofer IWES & GuD Geotechnik und Dynamik Consult GmbH, mit begleitender Industrie-Arbeitskreis (EnBW, G-tec S.A., Ocean Floor Geophysics, Niedersachsenwasser, BSH und BAW)
Zielsetzung und Anlass:
Die Eutrophierung stellt eine der größten ökologischen Bedrohungen der Ostsee dar, was sich aktuell in einer riesigen Todeszone (Sauerstoffmangel) am Meeresboden der tiefen Becken wiederspiegelt. Deshalb soll in dieser Machbarkeitsstudie eine nachhaltige marine Biomasse-Produktion des Blasentangs (Fucus vesiculosus) in Freilandversuchen in der Ostsee durchgeführt werden, um mit Hilfe dieser Makroalge eine Abreicherung von überschüssigen Nährstoffen herbeizuführen. In mehreren Schritten werden wir untersuchen inwiefern eine Hochskalierung vom Labor- zum offshore-Maßstab möglich und wie groß das Potenzial von großflächigen offshore-Freilandkulturen von Makroalgen ist. Weiterhin untersuchen wir ob die Biomasse umweltschonend produziert und als Wertstoff (Kosmetik), organischer Dünger, und/oder Biogas-Rohstoff (Energieträger) genutzt werden kann.
Das Gesamtziel des Vorhabens in diesem Konsortium ist somit die Beurteilung der Chancen und Möglichkeiten von großflächigen Makroalgen-Freilandkulturen hinsichtlich:
I. Schaffung eines regional möglichst geschlossenen Nährstoffkreislaufs zur Reduzierung der Nährstoffanreicherung in der südwestlichen Ostsee,
II. Produktion von nachhaltigen Rohstoffen ohne dünge-, pflanzenschutz- und wasser-intensiven Landverbrauch, sowie
III. Prüfung zusätzlicher Ertragsmöglichkeiten für Fischer und Einsparmöglichkeiten für Landwirte.
Das vielfältige Potenzial der Ökosystemdienstleistungen von Blasentang-Freilandkulturen wird somit erstmalig experimentell in der Ostsee untersucht, und trägt zu den UN Nachhaltigkeitszielen bei. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und regionalen Stakeholdern (Fischer, Windparkbetreiber, Landwirte, Anlagenbetreiber für Biogas) durchgeführt.
Arbeitsschritte und Methoden:
Während der Projektdauer von drei Jahren bearbeiten wir vier Schwerpunkte: I. Kultivierung, II. Biomassecharakterisierung, III. Ernte und IV. Nutzung des Blasentangs.
I. die bereits etablierte Nachzucht von Blasentang auf für die Freilandkultur geeignete Substrate wird optimiert. Danach wird die gut funktionierende Algenkultivierung vom Labor- und Mesokosmen-Maßstab zu mittleren Feldkulturen in der Eckernförder Bucht ( Prototyp einer Offshore-Kultur) heraufskaliert. Während all der Stufen der Hochskalierung werden die Effekte auf die Umwelt (abiotisch: Nährstoffgehalte, Sauerstoffkonzentration, pH; biotisch: Biodiversität organismisch und per eDNA) detailliert untersucht. Weiterhin soll die Zusammenarbeit mit Fischern und Windanlagenbetreibern als auch Genehmigungsbehörden (BSH, LLUR etc.) als Stakeholdern in Anspruch genommen werden, zu denen bereits intensive Kontakte bestehen.
II. Die erzeugte Blasentasng-Biomasse wird ökophysiologisch und biochemisch charakterisiert, um bspw. Überlebensgrenzen, optimale Erntezeitpunkte und vielversprechende Wertstoffe zu identifizieren.
III. Die Erntemethodik und Erstbehandlung an Land muss sorgfältig untersucht werden. Hier ist zum einen die Expertise von Fischern gefragt, die zumindest partiell von Fischfang auf die Wartung der Algenkulturen und die Algenernte umsteigen wollen. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung der Biomasse an Land. Eine energieaufwändige Trocknung soll als Vorbehandlung vermieden werden.
IV. Aus den biochemischen Analysen unter II. lassen sich bereits interessante Wertstoffe (Naturstoffe) z.B. für die kosmetische Industrie ableiten. Ansonsten ist die einfachste und bereits bewährte Nutzungsmöglichkeit das Einarbeiten der Algenbiomasse nach vorheriger Extraktion von Wertstoffen als Ersatz für mineralische Kunstdünger. Vor einer großflächigen und langfristigen Nutzung der Algenbiomasse als natürlicher Mineraldüngerersatz muss deren Belastung mit Schadstoffen, z.B. Schwermetallen, geprüft werden. (Text gekürzt)
Das Verbundvorhaben 'Lösungsansätze zur Vermeidung von Kabelschäden im Nahbereich von Offshore-Gründungsstrukturen unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Boden Interaktion (CableProtect)' widmet sich den komplexen Wechselwirkungen zwischen Stromkabel, Struktur, Kolkschutz und Meeresboden im Anschlussbereich des Kabels an die Tragstruktur. Anlass dafür waren Schäden in signifikanter Größenordnung insbesondere am Schutzsystem der Unterwasserverkabelung. Derartige Schäden sind zurückzuführen auf hydrodynamische Prozesse im Umfeld der Gründungsstrukturen. Wellen und Strömungen verursachen dort Bewegungen des frei hängenden Kabels, welche sich auch auf den Teil des Kabels auswirken, der auf dem Kolkschutz bzw. Meeresboden aufliegt. Außerhalb des Kolkschutzes kommt es zu Sedimentumlagerungen und zur Bildung von Randkolken, welche einen wechselseitigen Einfluss auf die Kabelbewegungen nehmen und zu Lageinstabilitäten führen. Das Teilvorhaben 'Partikelbasierte Analyse von Sedimentumlagerungen und ihres Einflusses auf die Kabeldynamik (CableProtect)' widmet sich im Rahmen dieses Verbundvorhabens hydrodynamisch induzierten Sedimentumlagerungen im Auflagerbereich des Kabels. Mit einer gekoppelten CFD-DEM Modellierung wird ein innovativer Ansatz verwendet, um Erosionsprozesse auf der Mikro-Ebene der Körner zu betrachten und so neue Einblicke in deren Wirkmechanismen zu erhalten. Durch Kopplung mit den Fluid-Struktur Modellen der Verbundpartner können die Einflüsse aus dem oszillierenden Stromkabel sowie aus Gründungsstruktur und Kolkschutz unter realitätsnahen Randbedingungen abgebildet werden. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, auf der Grundlage eines verbesserten Verständnisses der Sedimentumlagerungsprozesse wissenschaftlich abgesicherte und praxistaugliche Bemessungsregeln für die geomechanischen Aspekte der Kabelanbindung zu erarbeiten und so zu einer höheren Zuverlässigkeit von Offshore-Windenergieanlagen beizutragen.
Im Rahmen des Verbundvorhabens 'CableProtect - Lösungsansätze zur Vermeidung von Kabelschäden im Nahbereich von Offshore-Gründungsstrukturen unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Boden Interaktion (CableProtect)' befasst sich das Teilvorhaben 'Experimentelle und numerische Untersuchung der dynamischen Lasten auf Kabel im Nahfeld von Offshore-Gründungsstrukturen' mit der Ermittlung von Einflussfaktoren auf ungewünschte Kabelbewegungen im Nahfeld von Offshore-Windenergie-Gründungsstrukturen und der Entwicklung erfolgversprechender Lösungsansätze. Motiviert sind die Arbeiten durch Kabelschäden, die durch Abrieb des äußeren Schutzmantels des Kabels am nah gelegenen Kolkschutz entstanden sind. Dabei gelten strömungs- und welleninduzierte Kräfte, die auf das freie Kabel zwischen der Anbindung an die Gründungsstruktur und der Einbettung am Meeresboden einwirken, als Ursachen für Kabelbewegungen. Die Vorhersage des Strömungsfelds ist jedoch komplex, da dieses signifikant von den örtlichen Umgebungsbedingungen und den hydrodynamischen und geomechanischen Wechselwirkungen zwischen Gründungsstruktur, Kabel und Kolkschutz am Meeresboden abhängt. In diesem Zusammenhang thematisiert das Teilvorhaben CableProtect-Loads die hydrodynamisch induzierten Kabellasten unter Berücksichtigung der elastischen Verformung des Kabels. Hierzu werden innovative Berechnungsverfahren auf Basis einer Feldmethode zur Lösung von Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen weiterentwickelt, um z.B.Wirkungen von Viskosität und Turbulenz (Wirbelablösungen) zu untersuchen. Im Weiteren werden zur Validierung der rechnerischen Ergebnisse der anderen Teilvorhaben Modellversuche zu hydromechanischen Kornumlagerungen unter Strömungs- und Welleneinfluss durchgeführt. Abschließend werden Lösungsansätze zur Reduktion des Schadensrisikos von Kabeln im Nahfeld von Gründungstrukturen mit Fokus auf eine reduzierte Erregung ermittelt, validiert und in einem Auslegungsleitfaden dokumentiert.