Neue Druckkammer simuliert die tiefsten Ozeane der Erde
Eine neue Hochdruckkammer simuliert die extremen Bedingungen der Tiefsee und ermöglicht Tests großer Unterwassersysteme bei bis zu 1140 bar.
Das neue 30-Zoll-Druckgefäß von SwRI lässt sich in etwa zwei Minuten verschließen. Bei ähnlichen Gefäßen kann dies 30 bis 45 Minuten dauern. Das Gefäß ermöglicht Tests bei Drücken von bis zu 16.500 psig und simuliert damit die tiefsten Regionen des Ozeans.
Foto: Southwest Research Institute
Wer Technik für die Tiefsee entwickelt, muss sicherstellen, dass sie enormen Belastungen standhält. In mehreren Tausend Metern Tiefe wirken Drücke, die Gehäuse verformen, Dichtungen belasten und elektronische Komponenten an ihre Grenzen bringen können. Ein Versagen einzelner Bauteile kann dort schnell zum Ausfall eines gesamten Systems führen.
Tests direkt im Meer sind jedoch aufwendig. Sie erfordern Spezialschiffe, geeignete Wetterbedingungen und eine umfangreiche Logistik. Zudem lassen sich Fehlerquellen oft nur schwer kontrollieren. Deshalb setzen Hersteller und Forschungseinrichtungen seit Jahrzehnten auf Druckkammern, die die Bedingungen der Tiefsee im Labor nachbilden.
Das Southwest Research Institute hat seine Ozeansimulationslabore nun um eine neue Anlage erweitert. Sie soll eine technische Lücke schließen, die bisher viele Entwicklerinnen und Entwickler vor Herausforderungen stellte.
Größere Testobjekte unter höherem Druck
Die neue Druckkammer besitzt einen Innendurchmesser von 30 Zoll, also rund 76 cm. Mit einer Tiefe von 15 Fuß beziehungsweise etwa 4,6 m bietet sie deutlich mehr Platz als viele vergleichbare Anlagen.
Entscheidend ist jedoch ihre Druckfestigkeit. Die Kammer arbeitet mit bis zu 16.500 psi. Das entspricht rund 1140 bar und erlaubt die Simulation von Druckbedingungen, wie sie selbst in den tiefsten Bereichen der Ozeane auftreten.
Damit können künftig größere und komplexere Systeme getestet werden, darunter:
- unbemannte Unterwasserfahrzeuge (UUVs)
- Batteriesysteme und Druckgehäuse
- Sensoren und Messinstrumente
- Offshore-Komponenten für Öl- und Gasanlagen
- elektrische Steckverbindungen und Steuerungssysteme
Gerade bei modernen Unterwasserfahrzeugen wächst der Bedarf an realistischen Tests. Die Systeme werden leistungsfähiger, tragen größere Energiespeicher und müssen längere Missionen absolvieren. Entsprechend steigen die Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit.
Schnellverschluss spart wertvolle Testzeit
Eine Besonderheit der Anlage ist ihr neu entwickelter Schnellverschluss. Bei vielen Hochdruckkammern dauert das Öffnen und Schließen zwischen einzelnen Testläufen 30 bis 45 Minuten. Das kann den gesamten Testbetrieb erheblich verlangsamen.
Paul Garza, Leiter der Ozeansimulationslabore bei SwRI, sieht darin einen wichtigen Vorteil: „Dieser Druckbehälter bietet mehrere entscheidende Vorteile“, sagt Garza.
Besonders hebt er die deutlich kürzeren Umrüstzeiten hervor: „Während andere Kammern 30 bis 45 Minuten zum Öffnen oder Schließen benötigen, verkürzt das neue Design diese Zeit auf etwa zwei Minuten.“ Dadurch lassen sich deutlich mehr Testzyklen an einem Arbeitstag durchführen.
Sicherheit stand bei der Entwicklung im Mittelpunkt
Die Konstruktion leitete Kyle Robinson von der Marine Structures Group des Instituts. Das Team konzentrierte sich nicht nur auf die Leistungsfähigkeit, sondern auch auf die Betriebssicherheit.
Ein häufiges Problem großer Druckbehälter sind Fehlausrichtungen beim Schließen. Bereits kleine Abweichungen können die Sicherheit beeinträchtigen oder Wartungsaufwand verursachen. Das neue Verschlusssystem wurde deshalb so ausgelegt, dass solche Fehlstellungen praktisch ausgeschlossen werden.
Robinson erklärt: „Wir haben schon zuvor schnell schließende Verschlüsse gesehen, aber noch nie bei Druckbehältern dieser Größe, die bei so hohen Drücken betrieben werden.“
Nach Angaben des Instituts zeigen die Berechnungen zur Materialermüdung außerdem, dass erst nach rund 20 Jahren eine erste Inspektion auf mögliche Rissbildung erforderlich sein dürfte.
Mehr Möglichkeiten für Unterwasserfahrzeuge
Besonders interessant ist die neue Kammer für Entwicklerinnen und Entwickler autonomer Unterwasserfahrzeuge. Diese Roboter übernehmen heute Aufgaben in der Meeresforschung, bei Inspektionen von Offshore-Anlagen oder bei der Suche nach Rohstoffen und Kabeltrassen auf dem Meeresboden.
Vor allem Batteriesysteme und ihre Gehäuse müssen dabei extremen Belastungen standhalten. Hinzu kommen Steckverbinder, Sensoren und elektronische Komponenten, die auch unter hohem Außendruck zuverlässig arbeiten müssen. Die neue Anlage ermöglicht es nun, größere Systeme unter Bedingungen zu prüfen, die bisher nur schwer im Labor nachstellbar waren.
Belastungstest erfolgreich bestanden
Bevor die Kammer ihren Betrieb aufnehmen durfte, musste sie zunächst ihre eigene Belastbarkeit nachweisen. Dafür führte SwRI einen hydrostatischen Drucktest mit mehr als 26.000 psi durch. Das entspricht rund 1790 bar und liegt deutlich über dem späteren Betriebsdruck.
Solche Sicherheitsreserven sind bei Hochdruckanlagen üblich und dienen dazu, mögliche Schwachstellen frühzeitig zu erkennen. Anfang des Jahres nahm das Institut die Anlage offiziell in Betrieb. Seitdem wurde sie bereits für mehrere Kundenprojekte eingesetzt.
Warum solche Anlagen an Bedeutung gewinnen
Unterwassertechnik entwickelt sich derzeit in vielen Bereichen weiter. Offshore-Windparks werden in größeren Wassertiefen errichtet. Autonome Unterwasserfahrzeuge übernehmen immer komplexere Aufgaben. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Sensoren, Kommunikationssystemen und Energiespeichern für den Einsatz unter Wasser.
Mit dieser Entwicklung steigen auch die Anforderungen an Testeinrichtungen. Hersteller möchten möglichst früh wissen, wie sich ihre Systeme unter realen Belastungen verhalten.
Genau dafür wurde die neue Druckkammer gebaut. Sie ermöglicht es, größere Komponenten schneller und unter Bedingungen zu testen, die bislang oft nur mit aufwendigen Tiefseeversuchen erreichbar waren. Das spart Zeit, senkt Kosten und hilft dabei, technische Probleme bereits im Labor zu erkennen.
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