Allgemein

Häufigere und länger anhaltende Niedrigwasserphasen führen auf deutschen Wasserstraßen zu erheblichen Einschränkungen der Schifffahrt. Frachtschiffe sind daher bei Niedrigwasser nicht nur in ihrer Ladekapazität eingeschränkt, größere Schiffe müssen unter Umständen die Fahrt vollständig einstellen. Dadurch können weniger Güter transportiert werden. Das Rhein-Niedrigwasser im Jahr 2018 hat uns eindrucksvoll gezeigt, dass wir alle auf stabile Transportbedingungen auf den Wasserstraßen angewiesen sind.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, hat das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) die BAW damit beauftragt, einen sogenannten Niedrigwasserkorridor (NWK) am freifließenden Rhein zu untersuchen. Was genau bedeutet das? Im Prinzip geht es darum, wasserbauliche Anpassungen zu entwickeln, die auch bei niedrigem Wasserstand eine möglichst optimale Schifffahrt ermöglichen. Dabei wird jedoch nicht nur untersucht, wie der Fluss angepasst werden kann, sondern auch wie die Schiffe optimiert werden können. Es fahren bereits einzelne sogenannte niedrigwasseroptimierte Schiffe auf dem Rhein, die selbst bei extremem Niedrigwasser deutlich mehr Fracht transportieren können als herkömmliche Schiffe.

Um beurteilen zu können, inwiefern niedrigwasseroptimierte Schiffe in Zukunft zu einem gesicherten Güterverkehr auf dem Rhein bei Niedrigwasser beitragen können, müssen die fahrdynamischen Eigenschaften dieser Schiffe untersucht werden. Als Untersuchungsmethode werden hier unter anderem Experimente an einem gegenständlichen Modell herangezogen. Für diesen Zweck haben sich die BAW und das Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme (DST) als Kooperationspartner zusammengetan. Im Oktober 2024 fanden am DST Versuchsfahrten mit einem Modell eines niedrigwasseroptimierten Schiffs statt. Wir, Anne und Melissa, haben uns die Versuche vor Ort ein paar Tage angeschaut. Für uns als „Nicht-Schiffbauer“ ist das eine ganz neue Welt. Auch den Fotografen Herrn Ridderbusch haben wir mitgenommen, der die spannenden Versuche mit Foto-, Videokamera und sogar einer Drohne professionell dokumentiert hat.

Besonders erstaunenswert war in unseren Augen die beachtliche Größe des Modellschiffs, welches aus Holz gefertigt ist. Mit einer Länge von 9.5 m handelt es sich um ein Modell eines 135m-Schiffs mit einem Maßstab von etwa 1:13.5, welches in Abbildung 1 zu sehen ist. Die Fahrversuche mit diesem Schiff werden in einem 200 m x 9.5 m großen Tank durchgeführt. Dieser Tank ist insbesondere für Flachwasserverhältnisse ausgelegt. Die Wassertiefe kann hier durch das Ein-/Auspumpen von Wasser exakt eingestellt werden. Das sind optimale Bedingungen für unsere Interessen: Die Untersuchungen von Binnenschiffen bei besonders geringen Wassertiefen.

Wir durften in den ersten Tagen der Versuche vor allem Propulsionsversuche und Anfahr- sowie Stoppversuche bei unterschiedlichen Wasserständen im Tank beobachten. Neben den Wasserständen variierten auch die Schiffsgeschwindigkeit und der Tiefgang des Schiffs. Bis zu 2 Tonnen Gewicht wurde auf das Schiff geladen, um einen bestimmten Tiefgang zu erreichen.

Der Schleppwagen, der in Abbildung 2 zu sehen ist, begleitet das Schiff während der Fahrt. Zum einen ist er mit diversem Messequipment ausgestattet, das nicht ausreichend Platz auf dem Modellschiff findet und daher mit dem Schiff über Kabel verbunden ist. Auch die Personen, welche die Versuche ausführen, finden hier Platz. Zum anderen soll das Schiff für unsere Versuche nur in drei Freiheitsgraden beweglich sein. In dieser Versuchskampagne wurden die Propulsionseigenschaften bei Geradeausfahrt ermittelt. Das Schiff wird dabei entlang einer Geraden geführt und kann frei stampfen und tauchen.

Abbildung 3 zeigt einige Messgeräte, die sich auf dem Schiff und dem Schleppwagen befinden. Mit den Messgeräten werden Größen wie Widerstand, Düsen- und Propellerschub sowie Tiefertauchung und Vertrimmung gemessen.

Ein besonderes Highlight des Tanks war für uns und Herrn Ridderbusch der Fototunnel unter dem Tankboden. Aus diesem heraus kann das fahrende Schiff von unten beobachten werden und Aussagen über die am Schiff anliegende Strömung getroffen werden, siehe Abbildung 4.

Eines der Hauptziele dieser Versuchskampagne war es, die Propulsionsleistung dieses Schiffes zu bestimmen, wobei die Wissenschaftler*innen an der maximal erreichbaren Geschwindigkeit des Schiffes unter verschiedenen Wassertiefen interessiert sind. Dazu wird das frei fahrende Schiffsmodell so lange beschleunigt, bis es eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht. Dabei müssen die Versuchsingenieur*innen äußerst vorsichtig vorgehen, da eine zu hohe Geschwindigkeit zu Grundberührungen und Beschädigungen des Modells führen kann.

Pro Tag können etwa fünf bis sechs Versuche durchgeführt werden. Zwischen den einzelnen Fahrten muss oft eine Wartezeit von bis zu 60 Minuten eingelegt werden, damit sich die durch die Fahrt entstandene Welle im Tank soweit beruhigt hat, dass der nachfolgende Versuch nicht mehr davon beeinflusst wird. Die Pausen gaben uns die Gelegenheit die Wissenschaftler*innen mit neugierigen Fragen zu löchern, das Modellschiff mit Wathosen vom Wasser aus zu beäugen und die Räumlichkeiten und anderen Versuchshallen des DST zu besichtigen. So wurde uns in der Schreinerei erklärt, wie die Modellschiffe gebaut werden, neue Forschungsprojekte vorgestellt und der 360°-Schiffführungssimulator präsentiert. Wir möchten an dieser Stelle unser Dankeschön an das DST aussprechen für die Zeit und die informative Betreuung!

Das Ziel dieser Versuchsreihe ist es, niedrigwasseroptimierte Schiffe in den Schiffsführungssimulator der BAW zu integrieren. Dieser Simulator ermöglicht es, verschiedene Szenarien durchzuspielen und herauszufinden, wie wasser- und schiffbauliche Maßnahmen den Schiffsverkehr verbessern könnten. Auf diese Weise können fundierte Entscheidungen getroffen werden, um die Schifffahrt trotz des Klimawandels zukunftssicherer zu machen.

Autorinnen: Anne Bitterlich und Melissa Böhm

Verfasst von Melissa Böhm

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In diesem Jahr hat sich eine neue PIANC Arbeitsgruppe auf die Initiative von Herrn Claus Kunz, Abteilungsleiter Bautechnik, gegründet. Die PIANC Arbeitsgruppe 255 stellt sich der Aufgabe Empfehlungen zur realistischen Bewertung bestehender Wasserbauwerke aus Beton und Stahl zu erarbeiten. Hierzu sollen auf Basis der jeweiligen nationalen Verfahren und Methoden gemäß aktuellem Stand der Technik Konzepte und Ideen zur statischen Nachweisführung identifiziert und ihre nationale bzw. globale Anwendbarkeit überprüft werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf Wasserbauwerke des Binnenbereichs, wobei manche Ergebnisse ebenfalls auf Bestandsbauten des Küstenbereichs übertragbar sein können.

Dieser Herausforderung stellen sich Experten des Wasserbaus aus 8 Nationen. Neben Europa mit Belgien, Niederlande, Frankreich, Großbritannien und Deutschland sind sowohl die USA als auch Asien mit China und Vietnam vertreten. Insgesamt zählt die Arbeitsgruppe 17 Mitglieder.

Deutschland wird durch die BAW mit gleich zwei Fachbereichen der Bautechnik repräsentiert. Das Referat Massivbau (B1) wird durch Viktória Malárics-Pfaff und Babje Rothe als Young Professional und das Referat Stahlbau/Korrosionsschutz (B2) wird durch Andreas Panenka vertreten.

Beide Referate haben in der Vergangenheit bereits BAW-Merkblätter zur Bewertung der Tragfähigkeit von bestehenden Wasserbauwerken herausgebracht. Die Erfahrung basierend auf den BAW-Merkblättern zur „Bewertung der Tragfähigkeit massiver Wasserbauwerke“ (TbW) und zur „Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau“ (TbVS) bietet eine fundierte Grundlage für den internationalen Austausch.

Im August 2024 hat die PIANC Arbeitsgruppe 255 offiziell ihre Arbeit aufgenommen. Den Auftakt der Zusammenarbeit fand in Form eines enthusiastischen Kick-Off Meeting im PIANC Headquarter in Brüssel, Belgien, statt.

Nach dem Kennenlernen aller Teammitglieder und ihrer fachlichen Kompetenzen erfolgte die Diskussion der Aufgabenskizze und Festlegung der Zielsetzung der Zusammenarbeit. Der Tatendrang der Arbeitsgruppe wurde besonders bei der inhaltlichen Strukturierung des Berichts und Planung der nächsten Arbeitstreffen sichtbar. Den Vorsitz der Arbeitsgruppe 255 übernimmt Viktória Malárics-Pfaff (B1). Zur Unterstützung der Vorsitzenden übernimmt Andreas Panenka(B2) die Rolle des Sekretärs. Bei der personellen Aufstellung der Arbeitsgruppe dürfen wir uns sicher sein, dass eine konstruktive spannende Zusammenarbeit garantiert ist.

Das erfolgreiche Kickoff-Meeting wurde mit einem Teil des Teams im Rahmen eines gemeinsamen Abendessens in der Altstadt Brüssels zelebriert. Der Abend war beschwingt von der Motivation und der Begeisterung der Teammitglieder. Anschließend traten alle Teammitglieder mit einem Arbeitsauftrag im Gepäck ihre Heimreise an.

Noch im Dezember dieses Jahrs findet das nächste Arbeitstreffen in Hamburg statt. Die BAW übernimmt die Organisation des Arbeitstreffens. Dank dem Tatendrang der Teammitglieder dürfen wir auf die nächsten Arbeitsergebnisse gespannt sein. Wir blicken voller Vorfreude auf konstruktive und fruchtbare Diskussionen im Dezember!

Verfasst von Babje Rothe

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Für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit baut die WSV Fischaufstiegsanlagen zur Überwindung von Wanderhindernissen, wie z. B. Wehren. Neben Schlitzpässen, einer Betonbauweise mit senkrechten Wänden, werden an Wasserstraßen mit ausreichendem Platz und geringen Nutzungskonflikten naturähnlichere Raugerinne geplant. Diese bestehen dabei häufig aus mehreren aufeinanderfolgenden Querriegeln aus Steinen, welche den Höhenunterschied des Wanderhindernisses schrittweise abbauen. Durchgangsöffnungen in den Riegeln ermöglichen auch den größten in den Gewässern lebenden Fischen und Neunaugen den Aufstieg. Doch wie genau wirken sich Raugerinne auf die Wasserspiegellagen im Oberwasser aus? Die Strömungsbedingungen sind aufgrund der unregelmäßigen Riegelsteine sowie den Durchgangsöffnungen komplex und mit einfachen Methoden nur überschlagsweise beschreibbar. Die Wasserspiegel im Oberwasser sind jedoch im Rahmen des Genehmigungsprozesses oft für das gesamte Abflussspektrum, insbesondere zum Nachweis der Hochwasserneutralität nachzuweisen. Ein Forschungsprojekt der BAW widmet sich nun dieser spannenden Fragestellung.

Erste Berechnungsansätze wurden bereits mit Modellen an der BAW entwickelt und sollen nun anhand von Messdaten in der Natur validiert werden. Hierfür wurde kürzlich ein Raugerinne bei Unterbreizbach an der Ulster mit sechs Druckmessdosen ausgestattet. Diese werden in den kommenden Monaten den Wasserspiegel im Oberwasser, in den Becken und im Unterwasser des Raugerinnes messen.

Zwar handelt es sich bei der Ulster um keine Bundeswasserstraße, aber die Bedingungen in dem etwa 15 m breiten und 80 m langem Raugerinne sind ideal für eine Naturmessung: die Riegel wurden mit etwa 1 m-breiten Durchgangsöffnungen und einer Wasserspiegeldifferenz von etwa 0,10 m nach dem Stand der Technik gebaut und weisen gute Voraussetzungen für hiesige Fischwanderungen auf.

Das Raugerinne wurde gebaut, um die ehemals feste Wehrschwelle zu ersetzen und ökologisch durchgängig zu machen. An dieser Stelle vielen Dank an allen Beteiligten für die freundliche Unterstützung unseres Forschungsvorhabens!

Wir sind gespannt, ob der Winter eine Hochwasserwelle durch die Ulster schickt und somit wertvolle Messdaten für zukünftige WSV-Planungen erhoben werden können!

Verfasst von Gerrit Fiedler

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Am 24. September 2024 fand im Rahmen der 27. IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC) in Edmonton, Kanada, der dritte Workshop zum Thema „Intelligenter und automatisierter Wasserstraßentransport“ statt, der in diesem Jahr von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) (vertreten durch Jannis Daubner, Kathrin Donandt und Lahbib Zentari, W4) mitorganisiert und gesponsert wurde. Das Event erwies sich als äußerst spannend und bot Gelegenheit für den intensiven Austausch zwischen Forschenden aus den Bereichen Automatisierung in der Binnen- und maritimen Schifffahrt.

Den Auftakt bildete der Keynote-Vortrag von Lahbib Zentari (BAW), der mit seiner Präsentation über die Potenziale von KI-Tools zur Bewertung der Navigationssicherheit auf deutschen Binnenwasserstraßen den Nachmittag eröffnete. Die eingeladenen Expertinnen und Experten boten daraufhin Einblicke in aktuelle Forschungsprojekte, die intensive Gespräche und Diskussionen anregten. Nicola Forti von der Universität Florenz sprach über den Fortschritt intelligenter maritimer Systeme und die Herausforderungen bei der Vorhersage von Schiffsbewegungen sowie der Erkennung von Anomalien. Paul Koch vom Fraunhofer-Zentrum für Maritime Logistik und Dienstleistungen hob in seinem Vortrag die Komplexität der Einhaltung internationaler Kollisionsverhütungsregeln (COLREG) durch autonome Schiffe hervor und präsentierte einen regelbasierten Ansatz zur Realisierung von COLREG-Konformität. Die Formalisierung der COLREG wurde ebenfalls im Vortrag von Hanna Krasowski (University of California, Berkeley, USA) thematisiert, in dem es darum ging, wie einem Reinforcement-Learning-Agenten die Einhaltung der COLREG vermittelt werden kann.

Nach einer Kaffeepause, die den Teilnehmenden Raum für persönlichen Austausch bot, ging es in der zweiten Hälfte des Workshops mit weiteren Vorträgen. Lars Grundhöfer vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt präsentierte die kanadische R-Mode Testumgebung als Ergänzung zu GNSS-Systemen, während Tim Reuscher von der RWTH Aachen sicherheitsorientierte Steuerungs- und Navigationskonzepte für automatisierte Flussfähren vorstellte. Den Abschluss des Workshops bildete eine angeregte Diskussion zum Thema Zulassung von KI-basierten Systemen in der Schifffahrt.

Der Workshop fungiert als wichtige Plattform für den internationalen Austausch von Wissen und Innovationen, mit dem Ziel, die Sicherheit und Effizienz des Wasserstraßentransports weiter voranzutreiben. Die Teilnehmenden des diesjährigen Workshops konnten wertvolle Erkenntnisse und Anregungen für sich mitnehmen. Die Workshop-Reihe soll nächstes Jahr auf der ITSC 2025 in Australien fortgesetzt werden.

Verfasst von Kathrin Donandt

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Michael Akstaller ist Künstler und Wissenschaftler. Er hat in der BAW und BfG geforscht und ist nun als einer von sechs Künstlern im deutschen Pavillon der Biennale Venedig vertreten.

Im Gespräch mit der BAW erzählt er von der Faszination des Experimentierens – in der Wissenschaft sowie in der Kunst: „Die Arbeit in der BAW und die Kollegen haben mich immer wieder ermuntert, Dinge auszuprobieren.“

Akstaller untersuchte im Rahmen von diversen Forschungsarbeiten Sedimentbewegungen in Flüssen und die Einflüsse von menschgemachtem Unterwasserschall auf das Wanderverhalten von Fischen. In seiner künstlerischen Arbeit beschäftigt er sich mit Beziehungen zwischen Klang und Raum, Bewegung und Performance.

Interview

BAW: Welche Geräusche hörst du gerade?
Michael Akstaller: Tatsächlich hat vor einiger Zeit eine Baumaßnahme neben meinem Atelier begonnen. Ich höre bzw. fühle gerade Schwingungen von einer Verdichtungswalze. Die Fenster sind zu;  es ist ansonsten also recht ruhig hier.

BAW: Wie kam es zu der Idee Klang-Installationen zu machen und was hat die Wissenschaft damit zu tun?
Michael Akstaller: Ich glaube es ist dabei wie mit so vielem im Leben, die Dinge führen von Einem ins Nächste. Ich bin von meinem Studium an der Kunstakademie in das Thema Klang eingetaucht und seitdem untersuche ich sämtliche Facetten von Sound. Meine Arbeiten sind dabei meistens sehr ortsspezifisch. Die Form innerhalb der Ausstellung ergibt sich eigentlich immer relativ zum Schluss, wenn ich das Thema gefunden habe, wenn ich die Umgebung zu verstehen beginne. Natürlich fasse ich Pläne und formuliere meine Vorstellungen, aber bis jetzt gab es bei all meinen Arbeiten eine Veränderung später im Prozess, die das Ergebnis maßgeblich geprägt hat. Diese Freiheit oder Flexibilität innerhalb der Suche kenne ich bis jetzt eigentlich nur aus dem wissenschaftlichen Arbeiten. Genauer, eigentlich aus den Labor- und Feldversuchen, die ich bisher begleiten durfte. Darin war eben nicht das Ziel ein Endprodukt zu schaffen, sondern Systeme zu verstehen und ein Prozessverständnis zu erlangen mit dem man – ganz klar – auch ein Ergebnis beeinflussen kann. Ich glaube es ist wie die Frage, ob am Schluss etwas auf dem Tisch liegen soll, was man bestellt hat, einen dabei aber wenig überrascht, oder ob man sich auf Experimente einlässt.

BAW: Die Überwindung von den Schwellen ist ja nicht nur Thema der Biennale sondern zeigt sich bestimmt auch zwischen Kunst und Wissenschaft. Wie forschend ist Kunst und wie kreativ ist Forschung?
Michael Akstaller: Ich glaube, dass künstlerische Arbeit erst anfängt relevant zu werden, wenn sie forschend ist. Und das meine ich nicht zwangsweise im naturwissenschaftlichen Sinne, aber auch. Künstler*innen der letzten Jahrhunderte waren immer getrieben durch Neugierde, optische, akustische, sozialwissenschaftliche Forschung, etc. Nehmen wir mal als Beispiel die Stilrichtung des Pointillismus. Aus heutiger Perspektive sind die aus einzelnen Farbpunkten zusammengesetzten Bilder vielleicht nichts mehr Besonderes, oder einfach „nur“ schön. Aus technologischem Blick heraus, könnte man die Werke als frühe Studie zu Monitoren sehen, deren Funktionsweise heute in jedem Smartphone oder als Sensor in jeder Kamera steckt. Fragen zu Auflösung, visueller Farbmischung, Entfernung von Betrachtern zum Bildträger, Bildkörnung, bis hin zu optischem Rauschen stecken alle in diesen Bildern. Die Künstler*innen von damals konnten mit diesen einzelnen Pixeln ganze Welten erschaffen, weil sie forschten, wie viele und welche Farbpunkte man brauchte um in der menschlichen Wahrnehmung ein Bild zu konstruieren. Das wird jetzt wieder relevant, wenn wir uns von anderen Systemen Bilder erschaffen lassen wollen. Eine AI muss das auch erstmal lernen.

Wir sollten die Kunst davon befreien, nur auf ihre Schönheit reduziert zu werden. Sie verzahnt sich viel intensiver in den wissenschaftlichen Diskurs als im allgemeinen angenommen. Meistens fehlt es an gemeinsamen Sprachen, um die Informationen gegenseitig teilen zu können. Kommunikation ist letztendlich eine der Grundvoraussetzungen für Interdisziplinarität. Diese Notwendigkeit fällt mir in meinen Arbeiten auch immer wieder auf. Da ich das Vergnügen hatte, neben der bildenden Kunst auch ein ingenieurwissenschaftliches Studium zu absolvieren, kann ich hier Brücken schlagen. Ich bemühe mich auch immer zu übersetzen. Die spannendsten Gespräche über Kunst habe ich mit Naturwissenschaftler*innen, aber das nur so am Rande. Wie forschend die Kunst ist, gilt glaube ich im Umkehrschluss genauso für die Kreativität in der Forschung. In meiner Zeit an der BAW war ich fasziniert vom kreativen Potential der gemeinsamen Arbeit an den physikalischen Flussmodellen. Sehr beeindruckt bin ich nach wie vor von der direkten Wirksamkeit von Einbauten. Ein Ziegelstein ins Modell gelegt, verändert ein komplettes System binnen Sekunden. Wir konnten damals beobachten, dass dieser Ziegelstein die Orientierung eines ganzen Wirbelsystems umgedreht hatte, was letztendlich unsere Probleme mit dem Sedimenteintrag in eine Kanalmündung verhindert hatte. Nimmt man den Stein wieder raus, dreht sich der Wirbel wieder zurück. Dieses Experimentieren ist Kreativität, nichts anderes machen Künstler auf der Leinwand.

BAW: Was sind deine Ziele als Künstler und wohin geht die Reise als Wissenschaftler?
Michael Akstaller: Ich versuche nächstes Jahr ein größeres Projekt zu starten, in dem ich in Fließgewässern akustische Phänomene untersuchen kann. Insbesondere die Klangausbreitung in Wechselwirkung mit Gewässerströmungen interessiert mich. Die Schallausbreitung unter Wasser wird maßgeblich über die Sohle, die Sohlform und die Wassertiefe bestimmt. In Meeren mit sehr viel größeren Wassertiefen gibt es dafür einige Untersuchungen, an Flüssen eher weniger, obwohl meistens die morphologischen Parameter bekannt sind. Es fehlen lediglich ein paar akustische Messungen und man könnte Korrelationen untersuchen. Ich halte gerade Ausschau nach Partnerinstitutionen, die mich eventuell mit Messtechnik unterstützen könnten. Es bleibt also spannend.

Vielen Dank, dass du dir Zeit für ein Gespräch genommen hast!

Verfasst von Franziska Herrmann

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