Finland baut weltweit größte Eis-Tankanlage: Ingenieurskunst für das schmelzende Arktis

Er arbeitet seit 20 Jahren hier, und weltweit gibt es nur fünf bis sechs solcher Anlagen. „Damit können wir Arbeiten durchführen, die ansonsten nirgendwo möglich sind", sagt Polojärvi mir.

Diese Arbeit gewinnt zunehmend an Dringlichkeit. „Selbst wenn es weniger Eis gibt", fügt er hinzu, „ist die Aktivität größer." Immer mehr Schiffe betreten Gewässer, für die sie nicht ausgerüstet sind. Die Offshore-Windenergie dringt in eisbedeckte Meere vor.

Allein im Baltikum sind Zehntausende Gigawatt an Offshore-Windkapazitäten geplant, und praktisch der gesamte finnische Handel erfolgt über Häfen, die jeden Winter zufrieren. Die untersuchten Schiffe sind in erster Linie für offene Gewässer optimierte Fahrzeuge, die jedoch in Eis geraten. Bildnachweis: Touko Aikioniemi/Unsplash.

Eis wächst ürliches Eis bildet sich

Eis wächst ürliches Eis bildet sich äche nach unten; die Schicht gefriert zunächst an der Oberfläche und verdickt sich nach unten. Im Tank verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung. Eine große orange Struktur, die Brücke, fährt auf Schienen über das Wasser.

Darunter hängt ein schwarzes Rohr. „Wir sprühen tatsächlich ein sehr feines Nebel aus mit Ethanol dotiertem Wasser in die Luft", erklärt Polojärvi. Die Tröpfchen gefrieren beim Fallen, landen auf der Wasseroberfläche und bilden eine dünne Schicht.

Die Brücke bewegt sich, sprüht, und die Eisschicht verdickt sich, bis sie die Zielstärke erreicht, in der Regel zwischen 2,5 und 7,5 Zentimetern. Der Raum liegt bei etwa minus 11 oder minus 12 Grad Celsius.

Sobald das Eisblatt die richtige Dicke

Sobald das Eisblatt die richtige Dicke erreicht, konsolidieren Temperaturanpassungen die Eiseigenschaften. „Dies ist ein kritischer Prozess, bei dem wir das Eis wirklich präzise steuern können", sagt Polojärvi.

Das Ethanol verleiht der Luft einen leichten Lösungsmittelcharakter, und alle paar Jahre werden Tausende eingefüllt und lassen sich langsam verdampfen. Versuche werden typischerweise im Maßstab durchgeführt, wobei Schiffmodelle ein Volumen 5 Litern aufweisen.

Das Eis muss die mechanischen Eigenschaften örpern im Seemaßstab nachbilden, nicht seine absolute Härte; daher ist es absichtlich schwach. „Grundsätzlich könnte man in den Tank gehen, durch das Eisblatt die Hand stecken, etwas Eis herausnehmen und es fühlt sich fast wie Brei an", sagt Polojärvi. „Es handelt sich nicht um dieses sehr harte Eis, doch es besitzt maßstabsgetreue Eigenschaften." Das Testen im größtmöglichen Maßstab ist eine bewusste Entscheidung. „Wenn wir ein sehr großes Modell verwenden, lässt sich leicht berechnen, welche Eislast im Vollmaßstab auf die reale Struktur einwirken würde", sagt Polojärvi.

Technik und Auswirkungen

Kleinere Modelle erschweren die Übersetzung und machen die Schlussfolgerungen weniger zuverlässig. Der Tank erzeugt nach Konstruktion einheitliche Eismassen, was sowohl eine Stärke als auch eine Einschränkung darstellt.

Reales Meereis ist nicht homogen; es weist Salzgehaltsunterschiede und strukturelle Verunreinigungen auf, die der Tank nicht nachbilden. „Diese Probleme werden mit homogenem Material bereits so komplex, dass wir bei zusätzlicher Einbeziehung der Materialvariabilität experimentelle Ergebnisse erhalten, die wirklich, wirklich schwer zu interpretieren sind", sagt Polojärvi.

Der Standardansatz besteht darin, rechnerische Modelle mit Ergebnissen aus dem sauberen Tank zu validieren und anschließend kontrollierte Variabilität in Simulationen einzuführen.

Technik und Auswirkungen

Der Tank kann zudem Eisberge erzeugen – komprimierte Haufen, die entstehen, wenn Eismassen kollidieren und bis zu mehreren zehn Metern tief reichen können, obwohl dies eher eine Ausnahme als die Regel ist. Der Raum liegt bei etwa minus 11 oder minus 12 Grad Celsius. Quelle: Wikimedia Commons. Jede Eisplatte benötigt einen ganzen Tag zum Wachstum.

Die Tests finden am folgenden Tag statt und beginnen mit Messungen der Biegefestigkeit, des Young'schen Moduls und der Druckfestigkeit an Eisbalken, die aus dem Blech geschnitten wurden. Anschließend werden die Tests fortgesetzt, bis der Tank voller gebrochener Fragmente ist.

Die Brücke schiebt die Stücke in einen geneigten Ablauf; diese gelangen in einen Schmelzbehälter unter den Büros; das Wasser wird aufbereitet und der Prozess beginnt beträgt zwei Bleche pro Woche. Drei sind möglich, erfordern aber jemanden am Sonntag. Im Gebäude gibt es keine Fenster.

Natürliches Licht würde biologisches Wachstum

Natürliches Licht würde biologisches Wachstum im Wasser auslösen und die Sicht unter Wasser beeinträchtigen, die ohnehin zu den schwierigsten Variablen während der Tests gehört. Alle paar Jahre trübt sich das Wasser dennoch, und der gesamte Tank muss geleert und neu befüllt werden, erklärt Polojärvi.

Was Eis tatsächlich mit einem Schiff macht: Die meisten, die nicht in diesem Bereich tätig sind, stellen sich Eis als Hindernis vor, das ein Schiff durchdrückt. „Das würde einem Schiff einen Widerstand entgegensetzen, sodass es sich für das Schiff schwieriger bewegt, und man muss dann mehr Leistung aufwenden", sagt Polojärvi.

Im schlimmsten Fall kommt das Schiff zum Stehen und bleibt feststecken. In Kombination mit Eisdrift, also Eisfeldern, die ömungen geschoben werden, kann ein eingeklemmtes Schiff statt durch das Eis hindurch mit dem Eis mitbewegt werden.

In solchen Extremfällen kann das Eis

In solchen Extremfällen kann das Eis die Schiffshülle durchstoßen. „Das könnte sogar katastrophale haben", fügt er hinzu. „Wir können Schiffsmannöver durchführen, wir können Schiffe stark lenken und ihre Fähigkeiten wirklich testen, nicht nur geradeaus zu fahren, sondern Kurven zu durchfahren", sagt Polojärvi.

Auch Kanal-Ausbrüche, bei denen ein Schiff freigelegten Route abweichen muss, können hier getestet werden. Die meisten Eistanks können dies nicht aufnehmen. Die untersuchten Schiffe sind zunehmend keine Eisbrecher mehr.

Es handelt sich um für offene Gewässer optimierte Schiffe, die sich dennoch in Eisgebieten befinden, oft mit Besatzungen, die nur begrenzte Erfahrung unter solchen Bedingungen haben. „Es gibt immer mehr Schiffe, die Hilfe ötigen, da sie schlicht nicht über die Fähigkeiten verfügen, sich im Eis fortzubewegen", sagt Polojärvi.

Reales Meereis weist Salzgehaltsvariationen und strukturelle

Reales Meereis weist Salzgehaltsvariationen und strukturelle Verunreinigungen auf, die der Tank nicht nachbilden.

Quelle: NOAAAuch das Meereis selbst verändert sich auf Weise, die die Lage erschwert. „Eis liegt tatsächlich sehr nahe an seinem Schmelzpunkt, was es aus ingenieurtechnischer Sicht sehr schwierig macht, damit umzugehen", so Polojärvi. „Es ist ein Material, das sich sehr herausfordernd verhält." Mit steigenden Temperaturen des Meereises verschieben sich die mechanischen Eigenschaften auf Weise, die noch nicht vollständig verstanden sind.

Windkraftanlagen in einem gefrorenen Meer„Wenn wir ein kohlenstofffreies Finnland oder jedes andere nördliche Land erreichen wollen, müssen wir den Bau ächen beginnen", sagt Polojärvi.

Technik, Energie und Einsatz

Die finnischen Streitkrfte haben die Windenergienutzung in der Nhe der stlichen Grenze eingeschrnkt und die geplante Kapazitt weiter nrdlich verlegt, wo die Eisverhltnisse strker sind. Offshore-Windkraftanlagen sind interessante Bauwerke, da sie zwar massiv, aber sehr schlank sind und dazu neigen, zu vibrieren und stark auf die Umgebung zu reagieren", sagt er.

Meereis stellt fr eine solche Struktur eine extreme Belastung dar. Die Erforschung der derartiger nderungen der Belastung durch die Reaktion der Anlage ist das Ziel der Windkraftanlagen-Experimente im Tank. Auch groe Windparks knnen die lokalen Eisdynamiken verndern, was die finnische Verkehrsbehrde vor einigen Jahren als Bedenken geltend machte.

Ein einzelner Windpark kann Hunderte eine geophysikalische Simulation des gesamten Ostseeraums erstellt, um das Problem zu modellieren: Schiffe knnen durch sie hindurchgefhrt werden, und sowohl die Eisverhltnisse als auch die Strukturen der Windparks knnen variiert werden. „Wie man die Windenergieproduktion mit dem Winterverkehr in Einklang bringt", sagt er, „ist eine Herausforderung." Derzeit gibt es keine Gesetzgebung, die sich damit befasst.

Technik und Auswirkungen

Modellierung im Metermaßstab Das Team ärvi nutzt die diskrete Elementmethode, um Meeresgebiete mit einer Ausdehnung 100 auf 100 Kilometern bei einer Auflösung im Metermaßstab zu simulieren. „Das bedeutet", sagt er, „dass wir nicht mehr die Eiseigenschaften über große Flächen mitteln müssen.

Wir können tatsächlich Studien zum Verhalten ßstab durchführen." Die Ergebnisse fließen in die physikalischen Experimente im Tank zurück, und die Modelle werden vor ihrer Anwendung zur Untersuchung ßstäben, die der Tank physikalisch nicht nachbilden kann, mit den Tankdaten validiert.

Wenn gefragt wird, welches Experiment auch bei diesem Maßstab noch unmöglich bleibt, gibt er keine klare Antwort. „Als Forscher denke ich gerne daran, dass wir jede Art ühren können; es hängt stark davon ab, wie gut man ein bestimmtes Problem skalieren kann." Wie groß ein Experiment zur Meereisdynamik sein kann, das noch in den Tank passt und dabei verlässliche Ergebnisse liefert, sagt er, ist etwas, an dem sie noch arbeiten.