Gut vernetzt auf hoher See

Mit der METEOR IV wird das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel im Frühjahr 2027 ein hochmodernes, weltweit einsetzbares Forschungsschiff mit Schwerpunkt Atlantik in Betrieb nehmen. Doch wie wird aus einem Forschungsschiff, das Tausende Kilometer vom nächsten Hafen entfernt ist, ein vernetzter Arbeitsplatz? Und wie funktioniert die Zusammenarbeit auf Distanz? Die Antworten hat Dr. Johannes Karstensen, Leiter der Abteilung Seegängige Technologien.

21. Juli 2026

Als erfahrener Expeditionsleiter weiß Dr. Johannes Karstensen, worauf es bei der technischen Ausstattung eines Forschungsschiffes ankommt | Foto: Janne Lene Pole/GEOMAR

Forschung wird heute über Disziplinen und Standorte hinweg immer stärker vernetzt betrieben. Wie habe ich mir das auf einem Forschungsschiff auf hoher See vorzustellen?

Ein Forschungsschiff wirkt zwar nach außen wie eine eigene abgeschlossene Welt, tatsächlich ist es aber Teil eines größeren, vernetzten Systems. Einerseits werden vom Land aus gezielt Informationen abgerufen, um die Experimente auf See zu unterstützen. Andererseits wird die Forschung auf hoher See über Telepräsenz erlebbar – und sogar aktiv beeinflussbar.

Die Vernetzung von Land und See gehört heute zum Forschungsalltag. Telepräsenz findet auf unterschiedlichsten Ebenen statt: Das kann der Stream für die interessierte Öffentlichkeit sein oder der wissenschaftliche Diskurs von Forschenden via Videokonferenz. Hier nutzen wir übrigens verschiedene Anbieter aus den DFN-Rahmenverträgen. Der regelmäßige Datenaustausch zwischen dem Schiff, auf dem die Rohdaten gewonnen, und dem Rechenzentrum, in dem die Daten ausgewertet werden, ist Teil von Remote-Wissenschaft.

Remote-Wissenschaft hört sich spannend an. Wie können Forschende denn aus der Ferne aktiv an Experimenten beteiligt werden?

Das ROV Kiel 6000 bei Probenahmen und Messungen am Black Smoker – heute noch vom Schiff aus gesteuert, in Zukunft möglicherweise von Land | Foto: ROV-Team/GEOMAR

Zunächst erst einmal zu den Experimenten: Mit unseren Remote Operating Vehicles (ROVs) – das sind mit dem Schiff verbundene, aber ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge – untersuchen wir Phänomene wie die Black Smoker. Die schwarzen Rauchsäulen aus dem Meeresboden entstehen in Tausenden Metern Tiefe aufgrund vulkanischer Aktivität. Sie erreichen Temperaturen bis zu 400 °C und beherbergen wegen des mineralreichen Wassers ganz besondere Lebensformen. Mithilfe von ROVs ist es uns in Tiefen bis 6 000 Meter möglich, unterschiedliche Messungen zu machen und Proben zu nehmen.

Ein ROV kann man sich als einen riesigen, mehrere Tonnen schweren Kasten vorstellen – auf den ersten Blick eher unscheinbar, aber vollgepackt mit Technik. An Bord sind unterschiedliche Kameras, Lichtquellen und Sensoren, die kontinuierlich Daten wie Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt sowie die Trübung des Wassers messen. Gesteuert wird das Fahrzeug von meist zwei Pilotinnen oder Piloten vom Schiff aus. Eine Person steuert das Vehikel, das sich mit Propellern über dem Meeresboden manövrieren lässt, die andere bedient die Greifarme. Aber nicht nur das: Als technische Spezialisten – etwa für Bildgebung, Optik, Netzwerke oder Hydraulik – müssen sie gleichzeitig eventuell auftretende Störungen im Blick haben und gegebenenfalls beheben.

Mit in dem engen Kontrollraum an Bord des Schiffes sitzen auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die anhand der Livebilder aus der Tiefe Anweisungen geben – etwa zur Navigation der ROVs oder zur gezielten Probenentnahme. Da nicht immer alle Fachleute an Bord eines Schiffes sein können, wird immer häufiger auch mit „Live“-Übertragungen per Videokonferenz experimentiert. Dort können weitere Expertinnen und Experten interaktiv an Versuchen teilnehmen und gegebenenfalls auch in das Geschehen eingreifen. So können wir uns Forschende aus den unterschiedlichsten Disziplinen mit an Bord holen. Auf diese Weise funktioniert verteiltes Arbeiten.

Dafür braucht es doch mit Sicherheit sehr gutes Internet. Welche Kommunikationswege werden auf See genutzt?

Die Kommunikation auf den Ozeanen erfolgt heute überwiegend über etablierte Satellitensysteme, die eine zuverlässigeVerbindung zu Bodenstationen etwa in Europa oder Nordamerika ermöglichen – und damit in terrestrische global verbundene Netze wie das Wissenschaftsnetz des DFN-Vereins.

Das sah früher anders aus: Als ich angefangen habe, auf einem Forschungsschiff zu arbeiten, gab es lediglich Seefunk. Pro Woche war maximal ein Gespräch mit der Außenwelt möglich, bei dem typischerweise alle an Bord mithörten.

Autonom im Einsatz: Das AUV Abyss (Spitzname Tiffy) kann eigenständig Messungen durchführen und damit den Meeresboden kartieren | Foto: Emanuel Wenzlaff/GEOMAR

Dann wurden Anfang der 2000er-Jahre Iridium-Satellitentelefone bezahlbar. Dadurch wurde die Kommunikation wesentlich komfortabler und privater. Heute haben wir durchgehend Internet mit hoher Bandbreite.Dadurch können wir unsere Experimente beispielsweise live streamen – etwa über YouTube. So kann die Öffentlichkeit an unserer Forschung partizipieren.

Für stabile Kommunikationsverbindungen setzen Forschungsschiffe auf Hybridkommunikation, einen Mix aus verschiedenen Kommunikationswegen. In Küstennähe erfolgt die Anbindung häufig über Mobilfunknetze, ähnlich wie an Land. Auf hoher See übernehmen dann Satellitenverbin dungen. Je nach Position wechseln moderne Systeme automatisch in die jeweils beste verfügbare Verbindung.

Wo liegen die größten Herausforderungen in der Kommunikation?

Eine Herausforderung bei der Satellitenkommunikation sind die teils sehr hohen Latenzzeiten – bei Telefonaten oder Internetnutzung sind sie noch tolerierbar. Kritisch wird es, wenn vom Land aus aktiv in die Arbeitsabläufe an Bord eingegriffen werden soll. So gibt es etwa Überlegungen, ROVs auch aus der Ferne zu steuern – was allerdings sehr schnelle Reaktionszeiten erfordert. Da geht es teils um Sekunden. In der Wissenschaft im Automatisierungssektor wird Remote Operation gerade intensiv getestet. Zusätzlich wird geschaut, welche Satellitensysteme die geringsten Latenzzeiten haben.

Welche Unterschiede gibt es denn bei den Satellitensystemen?

Klassische Satellitensysteme arbeiten meist mit geostationären Satelliten, die in rund 36.000 Kilometern Höhe fest über einem Punkt der Erde stehen. Durch diese Entfernung ist zwar die Abdeckung recht gut, aber die Bandbreiten sind eher gering.

LEO (Low Earth Orbit)-Systeme wie etwa die der kommerziellen Anbieter OneWeb oder Starlink verfügen über viele kleine Satelliten, die untereinander gut vernetzt und darum unabhängiger
von einzelnen Bodenstationen sind. Durch ihre niedrigen Umlaufbahnen etwa 160 bis 2 000 Kilometer über der Erde ist die Bandbreite sehr viel höher, und die Latenzen sind niedriger. Insbesondere für die Meeresbeobachtung sind Satelliten von großer Bedeutung: zum einen für die Kommunikation, zum anderen stellen uns Erdbeobachtungssatelliten detailreiche Informationen über die Ozeanoberfläche bereit, etwa die Temperatur, die Höhe des Meeresspiegels oder die Ozeanfarbe. Satelliten liefern durchgehend Daten und Berechnungen, die an Land generiert und aufgearbeitet werden und die wir an Bord über Webdienste abrufen. Sie liefern uns Erkenntnisse über das Meer, die wir mit bloßem Auge nicht sehen können. Auf diese Weise können wir unsere Experimente sehr viel gezielter planen und ausführen.

Das heißt, ein großer Teil der Forschung findet inzwischen gar nicht mehr nur an Bord statt?

Die verschiedenen Messinstrumente, Sensoren und Kameras, die wir für unsere Experimente nutzen, sind zunehmend miteinander vernetzt – wie ein Schwarm. Das Schiff ist der Kontrollturm, in dem alle Informationen zusammengeführt werden und von dem aus der Schwarm ferngesteuert wird.

Darüber hinaus versuchen wir, unsere Apparaturen mit KI ein wenig schlauer zu machen: So sind Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) – Roboter, die sich unter Wasser bewegen, ohne dass sie mit dem Schiff verbunden sind – mehr und mehr in der Lage, beispielsweise ihr Abtastverhalten eigenständig gezielter anzupassen, sodass Phänomene, an denen wir interessiert sind, viel besser vermessen werden können. Ein weiteres Beispiel sind die mit einem AUV aufgenommenen Fotos vom Meeresboden, die mithilfe von KI zu einem Mosaik zusammengeführt („gestitcht“) werden. Durch diese zielgenauen Einsätze können wir außerdem Energie sparen, denn wir sind in der Tiefe immer noch auf Akkus als Energiequelle angewiesen.

Bei den Experimenten auf See spielen auch digitale Zwillinge (Digital Twins) zunehmend eine Rolle: Sie bilden reale Umgebungen – etwa ozeanische Prozesse – als dynamische, digitale Modelle ab.

Wie ist die METEOR IV beschaffen, um für diese Herausforderungen gerüstet zu sein?

Die METEOR IV ist wissenschaftlich sehr breit aufgestellt. Auf dem ganzen Schiff ist Glasfaser verbaut, um eine latenzfreie Umgebung zu garantieren. Außerdemsind Kühlräume für Hochleistungsrechner vorhanden. Insgesamt stehen der Wissenschaft rund 730 Quadratmeter Arbeitsfläche zur Verfügung – mit 17 spezialisierten Laboren, darunter Klimakammern und ein Labor für Atmosphärenchemie. So gibt es auch ausreichend Platz für Großgeräte wie ROVs oder AUVs. Einzigartig ist der Antrieb mit Voith-Schneider-Propellern. Damit können wir das Schiff sehr exakt auf Position halten – selbst bei Seegang –, was für viele Messungen und auch für den Umgang mit den Messrobotern entscheidend ist.

Dazu kommt eine hochmoderne technische Ausstattung: präzise Echolote, Forschungswinden für Einsätze bis in 12 000 Meter Tiefe und Systeme, die hochauflösende Videodaten in Echtzeit an Bord übertragen. Aber ein besonderes Anliegen ist es, auch jenseits aufwendig geplanter Experimente, Daten zu erheben. Die METEOR IV wird im Frühjahr 2027 in See stechen. In 2029 wird das Schiff die zentrale Beobachtungsplattform für die ein Jahr andauernde Forschungskampagne FUTURO vor der Westküste Afrikas sein.

Warum ist es wichtig, zwischen den eigentlichen Experimenten zusätzlich Daten zu gewinnen?

Der Einsatz auf einem Forschungsschiff verursacht pro Tag Kosten im mittleren fünfstelligen Bereich. Es wird daher stets darauf geachtet, dass die Transitstrecken zwischen den Seegebieten, in denen geforscht wird, möglichst kurz sind. Gleichzeitig werden die unvermeidbaren Transitfahrten aber auch zur Datengewinnung genutzt: So wird etwa der Meeresboden kartiert und das Meerwasser mit Messgeräten analysiert.

Hightech auf hoher See: Die neue METEOR IV kombiniert modernste Laborflächen und präzise Antriebstechnik. | Foto: Marc Petrikowski

Bei der Planung der METEOR IV war ich Teil eines Teams, das sich dafür eingesetzt hat, eine Messapparatur an Bord zu instal lieren, mit der auch während der Fahrt automatisiert Messungen zwischen der Meeresoberfläche und mehreren Hundert Metern Tiefe durchgeführt werden können. So entsteht ein „Profil“ des Meeres entlang der zurückgelegten Strecke – ohne dass das Schiff dafür anhalten oder gezielt Messstationen anfahren muss.

Was fasziniert Sie an Ihrem Beruf?

Rund 70 Prozent der Erdoberfläche sind von Ozeanen bedeckt, die im Mittel knapp vier Kilometer tief sind. Da ist es nicht wirklich verwunderlich, dass wir über die Ozeane noch immer wenig wissen – und das meiste davon basiert auf sehr punktuellen Beprobungen. Der Aspekt der ressourcenschonenden Ozeanbeobachtung fasziniert mich sehr: etwa der Einsatz von Messrobotern. Ein besonderer Reiz meiner Arbeit liegt darin,
Forschungsschiffe so zu konzipieren, dass sie technologisch anschlussfähig bleiben – etwa im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen bei Antriebssystemen. Für Forschungsschiffe sind die Anforderungen dabei oft komplexer als in der Handelsschifffahrt: Unsere Routen führen oft in abgelegene und logistisch schwer zugängliche Regionen, in denen die Versorgung mit alternativen Brennstoffen wie Methanol oder Ammoniak nicht zuverlässig sichergestellt werden kann.

Besonders motivierend ist für mich, Messdaten aufzuzeichnen, die dazu beitragen, das Meer als komplexes System besser zu verstehen. Ein System, das von ganz unglaublichen Lebewesen bewohnt wird und das einen riesigen Einfluss auf unser Leben an Land hat – besonders jetzt in Zeiten des menschengemachten Klimawandels.

Das Gespräch führte Maimona Id (DFN-Verein).