In einem vom Bundesumweltministerium geförderten Forschungsverbundprojekt entwickeln wir gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen des ForWind - Zentrums für Windenergieforschung und der Universität Stuttgart neuartige Methoden zur Leistungsoptimierung von offshore - Windkraftanlagen. Hierbei kommen Lidar-Verfahren (Light Detection and Ranging) zum Einsatz, mit denen sich Windfelder analysieren lassen, noch bevor sie den Rotor erreichen. Das Lidar nutzt hierfür die Doppler-Verschiebung der Wellenlänge der an Aerosolen rückgestreuten Laserstrahlung zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. Dies erlaubt eine effizientere Regelung der Leistungsausbeute und eine höhere Lebensdauer durch rechtzeitiges Abregeln der Anlage bei Starkwind.

In der Arbeitsgruppe Meeresphysik wird für diese Aufgabe ein kompaktes und robustes Wind-Lidar entwickelt, das auf Windkraftanlagen zum Einsatz kommt mit dem Ziel, Daten des ankommenden Windfelds über größere Entfernungen zu erfassen und für die Regelung in Echtzeit bereitzustellen. Hierfür sind eine Reihe von Themen für Examensarbeiten zu vergeben:

• Entwicklung eines kompakten Infrarot-Pulslasers als kohärente Strahlquelle
• Zusammenführung der optischen Komponenten des Wind-Lidar (Laser, Signaldetektion, kohärente Überlagerung des Laserpulses und der zurückgestreuten doppler-verschobenen Laserstrahlung
• Entwicklung der elektronischen Baugruppen für die schnelle Signalerfassung mit Bandbreiten bis ca. 500 MHz
• Auswertung und Analyse der mit dem Lidar gemessenen Winddaten im Labor sowie in einem offshore-testfeld für Windkraftanlagen

Kontakt: Rainer Reuter und Christoph Bollig

Die Niedersächsischen Ministerien für Umwelt und Wissenschaft fördern gemeinsam das Verbundprojekt Wissenschaftliche Monitoringkonzepte für die Deutsche Bucht (WIMO) der Meeresforschungsinstitute in Niedersachsen und Bremen. In dem Teilprojekt Seegang und Schwebstoff im Watt entwickeln wir gemeinsam mit dem Zentrum für Marine Umweltwissenschaften MARUM der Universität Bremen ein neuartiges System zur flächenhaften Erfassung des bodennahen Drucks und der multispektralen Lichttransmission in der Wassersäule für den Einsatz im Gebiet des Wattenmeers. Diese Daten geben einen unmittelbaren Aufschluss für den lokalen Wasserstand unter dem Einfluss von Seegang, woraus die bodennahe Strömung bestimmt werden kann, sowie auf den aus der Lichttransmission zu bestimmenden Schwebstoffgehalt in der bodennahen Grenzschicht.

Ziel ist es, das Erosions- und Transportverhalten von Sedimenten und Schwebstoffen zu bestimmen, die durch den Seegang mobilisiert werden und durch ihre Verlagerung die Morphologie des Wattenmeers bei Hochenergieereignissen (Stürme, Sturmfluten) nachhaltig verändern. Mit diesen Kenntnissen sollen hydrodynamische Modelle, die zur Simulation der Entwicklung des Wattenmeers unter dem Einfluss von Klimaveränderungen dienen, in ihren Prognosequalitäten verbessert werden.

In dem Projekt sind Examensarbeiten zu folgenden Themen zu vergeben:

• Entwicklung einer spektral hochauflösenden Sonde für die Messung der Lichttransmission und Erprobung im Watt
• Adaption und Erprobung von Auswertealgorithmen zur Bestimmung von Schwebstoff im Watt aus Lichttransmissionsspektren

Kontakt: Rainer Reuter

eLearning: Fernerkundung der Erde für den Unterricht an Gymnasien

In dem von der Europäischen Kommission seit August 2007 geförderten Projekt 

realisieren wir internetgestützte Lerneinheiten (eLearning) für den naturwissenschaftlichen Unterricht an Gymnasien. Die Lerneinheiten sollen den Schülern die Bedeutung der Naturwissenschaften und der Mathematik anhand von Methoden und Ergebnissen der Erdfernerkundung mit Satelliten und Forschungsflugzeugen in besonders anschaulicher und überzeugender Weise darstellen. Hierbei wird auch die Notwendigkeit fächerübergreifender Arbeitsweisen für ein Verständnis von Vorgängen in der Natur besonders verdeutlicht. 

Die von uns betreuten Lerneinheiten behandeln folgende Themenschwerpunkte:

• Spektren der Erde verstehen lernen:
  Es werden die spektralen Eigenschaften des Sonnenlichts und seine Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und der Erdoberfläche untersucht, ebenso die Eigenschaften der von der Erde ausgehenden Infrarotstrahlung, und die für diese Strahlung geltenden - und durch den zunehmenden Treibhauseffekt gestörten - Energiebilanzen und ihre Bedeutung für das Klima der Erde.
• Die Farbe des Meeres im Küstenbereich:
  Die Farbe des Meeres kommt durch die im Meerwasser enthaltenen Substanzen - und durch die Lichtstreuung des Wassers selbst - zustande. Umgekehrt kann aus Messungen der Meerwasserfarbe auf die Art und Menge von Substanzen im Meer (Algen, Trübstoffe, gelöste organische Substanzen, Schadstoffe)  geschlossen werden. Aus dem Weltraum mit Satelliten gemessen, lassen sich  hiermit vielfältige Informationen über den Zustand von Ökosystemen der Küstenregionen ableiten.   
• Gewässerverschmutzungen:
  Chemikalien und Spurenelemente, die durch atmosphärische Ablagerung, Flüsse oder Abwassereinleitungen ins Meer gelangen, lassen sich nur mit Hilfe aufwändiger Laboruntersuchungen nachweisen. Größere Verschmutzungen durch Öl, Ölprodukte und einige Chemikalien können auch mit Fernerkundung aus dem Weltraum nachgewiesen werden. So lassen sich Ölflecken auf Gewässern mit Hilfe von Radar-Satellitenbildern bzw. Luftbildern im Mikrowellen-, Infrarot- und optischen Spektralbereich auffinden. Dies erlaubt es, Informationen über die Position sowie Ausmaß und Tiefe des Ölteppichs, aber auch die Art des Öls - und damit auch den Verursacher einer Gewässerverschmutzung - zu ermitteln. 
• Fernerkundung mit Lasern:
  Laser sind hochintensive und gleichzeitig monochromatische Strahlungsquellen, die sich daher besonders gut für die optische Analytik von Substanzen in der Atmosphäre und im Meer eignen. Benutzt man sehr kurze Laserpulse, so lassen sich unter Ausnutzung der Laufzeit des Lichts solche Daten entfernungsabhängig messen; dieses Verfahren wird als Lidar (Licht-Radar) bezeichnet. Mit Lidar können z.B. Schadstoffverteilungen in der Atmosphäre oder Ölflecken im Meer über große Entfernungen sehr effizient nachgewiesen werden.  

Daneben gibt es eine Reihe anderer Themen, die von unseren Kooperationspartnern behandelt werden und überwiegend biologisch, geographisch und mathematisch ausgerichtet sind. Die verwendeten Daten werden von der ESA sowie von EARSeL bereitgestellt.

Alle genannten Themen eignen sich zur Anfertigung von Bachelor- und Masterarbeiten in den Fach- und Zwei-Fächer-Studiengängen Physik, Engineering Physics und Umweltwissenschaften. Die Arbeiten gliedern sich in folgende Arbeitsschritte: (1) Einarbeitung in die physikalische Aufgabenstellung, (2) Realisierung von Webseiten als Teilbeiträge zu den bestehenden Lerneinheiten, (3) Erprobung im Unterricht an Gymnasien (ggf. als Schulpraktikum von Lehramtsstudierenden).

Kontakt: Rainer Reuter

Die Farbe des Meeres wird wesentlich durch die Streuung an Schwebstoffen (Phytoplankton, Bakterien, mineralische Trübstoffe) und durch die Absorption der Pigmente des Phytoplanktons bestimmt. In diesem Zusammenhang sind zwei Themen zu vergeben:

Thema 1: Absorptionsspektroskopie von Phytoplankton. Eine Ulbricht-Kugel ist eine Kugel mit ideal diffus streuender innerer Oberfläche, die es gestattet, Spektren der Lichtabsorption sehr präzise messen. Das Instrument soll verwendet werden, um in vivo-Absorptionsspektren von Algenpigmenten zu bestimmen, in Abhängigkeit von der Physiologie der Algen (hell- oder dunkeladaptiert, nährstoffarm und -reich, etc....). Mit parallelen Messungen der Fluoreszenzquantenausbeute soll dies dazu dienen, die Methoden der in situ-Messung der Biomasse im Ozean mit ozeanographischen Sonden zu verbessern.

Thema 2: Mikrooptische Analyse von Einzelzellen. Es sollen Einzelzellen mit mikroskopischen Techniken undanalysiert werden. Im Gegensatz zur konventionellen Durchflusszytometrie, bei der die Lichtstreuung an Zellen für eine Zellzählung verwendet wird, sollen hier auch Informationen über die Pigmentzusammensetzung und somit die Planktonklasse mit lasergestützter Fluoreszenzspektroskopie erfasst werden. Das Verfahren soll zur Entweicklung einer neuartigen Sonde für Anwendungen im Ozean beitragen, mit der automatisierte und quantitative Planktonanalysen möglich werden. Die Untersuchungen werden in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe der Lomonosov Universität Moskau durchgeführt.   

Ziel beider Themen ist es, aus der Kenntnis der optischen Eigenschaften unterschiedlicher Phytoplanktonarten eine genauere Abschätzung ihres Einflusses auf die Lichtausbreitung im Meer zu gewinnen. Hiermit sollen in einem weiteren Schritt bessere bio-optische Algorithmen für die Bestimmung der Planktonbiomasse und der biologischen Primärproduktion der Ozeane aus optischen Satellitenbildern abgeleitet werden.

Kontakt: Rainer Reuter