Entwicklung eines selbst kalibrierenden Ozean-Bodendruck Meßgerätes (OBP)

• Antragsteller: Dr. Hans-Hermann Gennerich
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249894855

Die Beobachtung des hydrostatischen Druckes am Meeresboden spielt eine Schlüsselrolle in mehreren marinen Disziplinen wie der marinen Geodäsie, der Produktionskontrolle von Offshore-Kohlenwasserstoff-Lagerstätten, der Ozeanographie und der Validierung von Satellitenschweremessungen. Aber seit dem Beginn der Messungen vor mehr als 40 Jahren bis heute verhindert ein Mangel an Langzeitstabilität der Sensor-Kalibration die eindeutige Erkennung von Langzeittrends in all diesen Disziplinen.Unser Ziel ist die Entwicklung eines sich selbst am Meeresboden kalibrierenden Ozeanbodendruck-Messgerätes, das Langzeit-Druckvariationen am Meeresboden aufgrund der Driftquantifizierung genauer als 1mm Wassersäule pro Einsatz (z.B. ein oder mehrere Jahre) bestimmen und darin enthaltene Trends klar auflösen kann; eine Aufgabe, die zurzeit kein Instrument meistert. Unser Weg ist die Messung der Differenz zwischen dem Umgebungsdruck und einem eingefrorenen Referenzdruck. Dieser wird in einer Referenzdruckkammer eingefangen, indem man ein Ventil zur Umgebung schließt, nachdem das Instrument am Meeresboden abgestellt worden ist. Das Innovative an diesem Konzept für die Langzeit-Registrierung ist die Kombination eines Differenzdrucksensors mit einer temperaturkompensierten Referenzdruckkammer, eine Strategie die die Vorteile geringer Drift und einfacher in situ Kalibrationsmöglichkeit vereint.Eine um drei Größenordnungen geringere Drift wird erreicht, da der dynamische Umfang des Druckes bei Relativdruckmessungen gegenüber Absolutdruckmessungen um drei Größenordnungen geringer ist (Gezeitenhöhe statt voller Ozeantiefe) und einen kleineren Skalenendwert des Sensors erlaubt (Drift-Amplitude skaliert mit dem Skalenendwert des Sensors). Die Quantifizierung der Drift, wird durch das Kurzschließen der beiden Eingänge des Differenzdrucksensors am Anfang und am Ende der Messzeit ermöglicht, weil die physikalische Druckdifferenz dann Null ist. Die Herausforderung besteht darin, die temperaturbedingten Störungen des Referenzdrucks durch intelligente Kombination von Materialien, Geometrie und Temperaturerfassung zu reduzieren und konsequent auch kleinste Undichtigkeiten im Referenzsystem zu vermeiden.Unsere Strategie hat vier wesentliche Vorteile gegenüber dem einzig bekannten konkurrierenden Ansatz, der in situ Kalibration eines Absolutdrucksensors mittels einer Druckwaage: Geringere Sensordrift, höhere Robustheit und ein geringerer Preis mit der daraus resultierenden Möglichkeit, die Instrumente in Geo-Sensor-Netzwerken zu installieren.Wir planen, ein sehr einfaches System zu entwickeln, zu testen und zu untersuchen, um dessen Stärken und Schwächen sowie Verbesserungsmöglichkeiten zu erkennen (proof of concept). In einem zweiten Schritt (zweiten Antrag) wollen wir die neuen Erkenntnisse und Erfahrungen mit diesem Prototypen umsetzen, um ein Instrument zu bauen, welches das Potential hat, neuer Standard für Langzeitbeobachtungen des in situ Druckes im Meer zu werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen