Tauchglocke: Fortgeschrittene Personal-Transfer-Kapsel für sichere Unterwasserarbeiten

Hintergrund

Gewerbliche Taucher, die Unterwasserbau oder Bergung durchführen, nutzen oft eine Tauchglocke für den Transport zur Unterwasserstelle. Der Einsatz einer Tauchglocke (auch Personal Transfer Capsule, PTC, genannt) und einer Druckkammer verlängert die Zeit, die ein Taucher sicher unter Wasser verbringen kann. Tauchglocken waren bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. bekannt, als sie vom griechischen Philosophen Aristoteles beobachtet wurden. Raffiniertere Tauchglocken wurden im 17. Jahrhundert entwickelt. Moderne Glocken für gewerbliches Tauchen entstanden nach dem Zweiten Weltkrieg mit dem Aufstieg der Offshore-Ölindustrie.

Gewerbliches Tauchen (Tauchen gegen Bezahlung) gliedert sich in zwei Haupttypen: oberflächenorientiertes Tauchen und Sättigungstauchen. Beim oberflächenorientierten Tauchen arbeiten Taucher in Helmen unter Wasser, verbunden mit einer Atemvorrichtung an Land oder an Bord eines Schiffs, einer Barke oder Plattform. Typischerweise arbeiten Taucher paarweise, einer unter Wasser und einer an der Oberfläche, der Schläuche und Ausrüstung betreut. Oberflächenorientierte Taucher können sicher bis 91,5 m Tiefe arbeiten, aber nur begrenzt lange unter Wasser bleiben. Die Auswirkungen des Wasserdrucks können Dekompressionskrankheit verursachen. Unter Druck sammelt sich Stickstoff im Gewebe des Tauchers, blockiert Arterien und Venen. Steigt der Taucher zu schnell auf, bildet Stickstoff Blasen im Gewebe, ähnlich wie eine Sodaflasche beim Öffnen schäumt. Gasblasen im Gewebe verursachen Schmerzen, Lähmung oder Tod. Nach einem tiefen Tauchgang muss der Taucher langsam dekomprimieren und sehr allmählich zum Oberflächendruck zurückkehren, um Dekompressionskrankheit zu vermeiden. Dekompressionszeit hängt von Tiefe und Dauer ab. Bei einem tiefen Tauchgang von nur einer Stunde kann die Dekompression Tage dauern. Oberflächenorientiertes Tauchen ist nur für kleine Aufträge praktikabel.

Der zweite Typ, Sättigungstauchen, eignet sich besser für Großbauprojekte. Beim Sättigungstauchen nutzen Taucher eine Druckkammer, manchmal Deep Diving System (DDS) genannt, die an eine Tauchglocke angebunden ist. Kammer und Glocke starten an Bord eines Schiffs. Ein Taucherteam betritt die Kammer, die dann mechanisch unter Druck gesetzt wird, um die Umgebung der geplanten Tiefe zu simulieren. Die Kammer ist eine vollständige Lebensumgebung – ausgestattet mit Betten, Dusche und Möbeln – und kann ein Taucherteam für Wochen beherbergen. Wenn die Taucher akklimatisiert sind, verlassen sie die Kammer durch einen Verbindungstunnel und betreten die ebenfalls unter Druck stehende Tauchglocke. Ein Kran hebt die Glocke vom Schiff und senkt sie zur Unterwasserstelle. An der Stelle verlässt ein Taucher die Glocke in Tauchanzug und Helm und beginnt zu arbeiten. Der andere Taucher bleibt in der Glocke und betreut die Schläuche und Ausrüstung des ersten. Nach einem Intervall von vielleicht zwei Stunden wechseln sie. Vom Glockeneinsatz aus können Taucher einen achtstündigen Arbeitstag unter Wasser leisten. Dann werden sie in der Glocke an die Oberfläche gebracht, betreten die Druckkammer und wechseln mit der nächsten Taucher-Schicht. Wenn der gesamte Auftrag abgeschlossen ist, dekomprimiert das Team in der Druckkammer. Obwohl sie mehrmals getaucht sind, muss das Team nur einmal dekomprimieren.

Geschichte

Ein Eimer oder Fass, offenes Ende nach unten ins Wasser gelassen, fängt Luft darin ein. Aristoteles schrieb von Tauchern, die luftgefüllte Kessel zum Unterwasseratmen nutzten. Alexander der Große soll 332 v. Chr. in einer Tauchglocke – angeblich ein Fass aus weißem Glas – zu See gefahren sein. Er soll tagelang tief unter Wasser geblieben sein, was jedoch nicht plausibel ist. Es gibt mehrere Verweise auf Tauchglocken im Mittelalter. 1531 baute ein Italiener, Guglielmo de Lorena, eine funktionsfähige Tauchglocke, mit der er versunkene antike römische Schiffe vom Grund eines Sees barg. Andere Glocken wurden in verschiedenen europäischen Orten erfunden und genutzt, meist zur Bergung von Schätzen. Der Vorläufer der modernen Tauchglocke wurde von dem Engländer Edmund Halley erfunden, der vor allem für den nach ihm benannten Kometen bekannt ist. 1690 baute Halley eine Tauchglocke, die Lederrohre und bleiauskleidete Fässer zur Frischluftzufuhr unter Wasser nutzte. Seine Glocke war ein offener Holzkegel, mit Blei beschwert und mit einem Glasblickfenster ausgestattet. Im Inneren hing Halley eine Plattform für den Taucher zum Ausruhen und ein Konstrukt aus gewichteten Fässern. Die Fässer waren so befestigt, dass, wenn der Taucher sie in die Glocke zog, Wasserdruck von unten sie zwang, Frischluft in die Glocke abzugeben. Helfer an der Oberfläche füllten die Fässer wieder mit Frischluft. Halley und ein Taucherteam schafften es, bei ca. 18 m Tiefe bis zu 1,5 Stunden unter Wasser zu bleiben.

Andere replizierten Halleys Leistung, aber das Design wurde nicht signifikant verbessert bis 1788. In diesem Jahr baute ein schottischer Ingenieur, John Smeaton, eine Tauchglocke, die eine Pumpe auf dem Dach nutzte, um Frischluft hineinzudrücken. Smeatons Glocke wurde von Tauchern für Unterwasser-Brückenreparaturen eingesetzt. Im 19. Jahrhundert wurde vielfältige Tauchausrüstung erfunden, was zu funktionsfähigen Tauchhelmen führte, die über Schläuche mit einer Luftversorgung an der Oberfläche verbunden waren. Diese Ausrüstung war schwer und klobig, aus hunderten Pfund Metall gefertigt, um tiefem Wasserdruck standzuhalten. Arbeiter an Tunneln und Brücken stiegen in riesige Gusseisenglocken oder aufzugsähnliche Kammern, Caissons genannt. Da wenig über Druckgefahren bekannt war, erkrankten und starben viele dieser Arbeiter an sogenannter Caisson-Krankheit, heute als Dekompressionskrankheit bekannt.

Der Grundstein für zukünftiges gewerbliches Tauchen wurde nach dem Zweiten Weltkrieg gelegt. Der Schweizer Taucher Hannes Keller nutzte 1962 eine Tauchglocke, um 300 m Tiefe zu erreichen. Seine Glocke lag bei etwas höherem Druck als die Tauchstelle. Keller atmete ein Helium-Sauerstoff-Gemisch durch Schläuche, die an einer Maschine in der Glocke angeschlossen waren. Er zeigte, dass die Tauchglocke eine wertvolle Wegstation für Tieftaucher sein kann, die nicht nur atmungsfähiges Gas, sondern auch Strom, Kommunikationsgeräte und Heißwasser zum Heizen des Tauchanzugs liefert.

Sättigungstauchen wurde durch die Arbeit von Dr. George Bond ermöglicht, Direktor des United States Navy Submarine Medical Center in den mittleren 1950ern. Seine Experimente zeigten, dass Gewebe eines Tauchers nach einer bestimmten Expositionszeit mit Stickstoff gesättigt wird. Nach Erreichen des Sättigungspunkts war die Tauchdauer unwichtig. Ein Taucher konnte Wochen oder Monate unter Druck bleiben. Die für Dekompression benötigte Zeit wäre dieselbe, ob der Taucher eine Stunde oder eine Woche am Sättigungspunkt blieb. Bonds Experimente führten zur Entwicklung von Deep Diving Systems. Diese wurden in den 1970ern und 1980ern häufig von Arbeitern in der Ölindustrie genutzt, als tiefe Offshore-Ölbohrplattformen florierten.

Die Bathysphäre und das Bathyscaph

Zwei wichtige moderne Tauchglocken waren die Bathysphäre und das Bathyscaph. Dies waren Tiefsee-Tauchfahrzeuge für wissenschaftliche Beobachtung. Die Bathysphäre wurde 1930 von William Beebe, einem amerikanischen Zoologen, und Ingenieur Otis Barton gebaut. Beebe, fasziniert vom Unterwasserleben, konzipierte die Tauchmaschine, und Barton konnte sie entwerfen. Bartons Idee war, die Kammer perfekt rund zu machen, um Wasserdruck gleichmäßig zu verteilen. Sie wurde aus Gussstahl gefertigt, etwas über 2,5 cm dick und 1,5 m im Durchmesser. Die Bathysphäre wog enorme 2.449 kg, fast zu schwer für den verfügbaren Kran. Beebe und Barton machten mehrere Tauchgänge vor Bermuda in der Bathysphäre und erreichten 1932 900 m Tiefe. Aufgrund der großen Festigkeit der Kugel waren die Taucher vor Druck geschützt, aber die Bathysphäre erwies sich als unhandlich und potenziell riskant. Sie wurde 1934 aufgegeben.

Ein Jahrzehnt später entwarfen ein Schweizer Vater und Sohn, Auguste und Jacques Piccard, ein ähnliches Gefäß namens Bathyscaph. Wie die Bathysphäre widerstand das Bathyscaph Druckeffekten mit einer schweren Stahlkugel. Die Kugel hing unter einem großen, leichten, benzingefüllten Behälter. Das Öffnen von Luftventilen ließ das Bathyscaph Auftrieb verlieren und unter eigener Kraft zum Meeresboden sinken. Zum Aufsteigen ließen die Betreiber Eisenballast los, wodurch das Gefäß langsam aufstieg. Das erste Bathyscaph wurde 1946 gebaut, aber 1948 irreparabel beschädigt. Eine verbesserte Maschine tauchte 1954 auf 4.000 m. Die Piccards bauten 1953 ein weiteres Bathyscaph, die Trieste. Die US Navy kaufte die Trieste 1958. Jacques und Navy-Leutnant Donald Walsh erreichten 1960 einen Rekord von 10.916 m im Marianengraben im Pazifik.

Rohstoffe

Moderne Tauchglocken bestehen aus hochfestem, feinkörnigem Stahl. Fenster werden aus gegossenem Acryl einer speziellen Güte für Druckbehälter gefertigt. Die Glocke benötigt auch eine äußere Ummantelung aus dickem Aluminium zum Schutz vor Stößen. Die Glocke wird mit hochwertigem Marine-Epoxidlack gestrichen. Stahl- und Aluminiumspezifikationen variieren je nach erwarteter Tauchtiefe.

Design

Tauchglocken werden kundenspezifisch nach Kundenanforderungen gebaut. Der Kunde nähert sich dem Hersteller mit einer Skizze der Bedürfnisse. Je nach Anforderungen spezifiziert die Skizze Glockenform, Mindestbesatzung, Fensteranzahl und besondere Bedürfnisse wie Gerätehalterungen. Der Hersteller prüft den Plan des Kunden und erstellt ein finales Design.

Fertigung und Design von Tauchglocken erfolgen unter spezifischen Vorschriften der American Society of Mechanical Engineers (ASME). ASME hat einen Unterabschnitt für Pressure Vessels for Human Occupancy (PVHOs). PVHOs umfassen Tauchglocken sowie Tauchboote, Dekompressionskammern, Rekompressionskammern, Höhenkammern und andere. ASME legt strenge Standards für alle Aspekte fest, vom Design über Fertigung bis Test. Hersteller und Subunternehmer müssen alle ASME-Richtlinien schrittweise durch den Fertigungsprozess befolgen, um ein ASME-Siegel auf der fertigen Glocke zu erhalten.

Der Fertigungsprozess

Glockenbau

• 1 Der Glockenkörper wird aus starkem, feinkörnigem Stahl geformt. Gewalztes Stahlblech wird auf ein Förderband gelegt und durch eine automatisierte Säge geschnitten, die das Blech in Oberseite, Unterseite und Seiten der Glocke zerteilt.
• 2 Die Sektionen werden in eine für diese Bauart zertifizierte Schweißwerkstatt geschickt. Jede Sektion wird manuell verschweißt. Die Schweißnähte müssen hohem Druck standhalten und absolut wasserdicht sein. Die Schweißwerkstatt folgt den ASME-Richtlinien.
• 3 Gegossene Acrylfenster, entweder von einem Subunternehmer oder vom Glockenhersteller gefertigt, werden eingepasst.

Inspektion und Test

• 4 Nach dem Verschweißen wird die Glocke inspiziert. Sie durchläuft verschiedene Tests, von visueller Schweißnahtinspektion bis Ultraschallscans. Dann folgt der "Nachweistest". Die Glocke wird mit Wasser gefüllt und eine Stunde lang mit dem 1,5-fachen des Auslegungsdrucks beaufschlagt. Wenn die Glocke für 183 m Tiefe (282 psi) ausgelegt war, unterzieht der Hersteller sie 274,3 m (415 psi). Die Glocke sollte den Nachweistest problemlos bestehen. Sie ist für das Vierfache des Nutzungsdrucks ausgelegt als Sicherheitsvorkehrung.

Lackierung und Endausbau

• 5 Als Nächstes wird die Glocke gestrichen. Mechanische Sprühgeräte beschichten die Glocke mit hochwertigem Marine-Epoxidlack, der der rauen Unterwassernutzung standhält.
• 6 Dann wird der Glockeninnenraum fertiggestellt. Die Glocke hält diverse Geräte wie Heizung, Instrumente, Beleuchtung, CO₂-Entferner und Lüfter. Halterungen werden innen angeschraubt. Rohrleitungen und Kabelkanäle werden ebenfalls befestigt. Die Glocke ist erst einsatzbereit, wenn die gesamte Ausrüstung installiert ist.

Zertifizierung

• 7 Besteht die Glocke alle Tests und Inspektionen, wird sie mit einem ASME-Siegel gestempelt. Das bedeutet, sie wurde gemäß ASME-Standards gebaut und gilt als sicher für menschliche Belegung. Der einzelnen Glocke wird auch ein Zertifikat ausgestellt, das Ort, Zeit und Hersteller der Fertigung dokumentiert. Weitere Aufzeichnungen werden geführt, wie die Herkunft des für den Körper verwendeten Stahls.
• 8 Der Hersteller liefert die Glocke als "rohes" Gefäß. Der Kunde rüstet sie dann mit aller benötigter Technik aus: Ortungsgeräte, Kameras, Funktransmitter.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrolle ist extrem wichtig für ein Gefäß, das für inhärent gefährliche Unterwasserarbeit genutzt wird. Qualitätskontrolle ist in den Fertigungsprozess eingebaut, da Hersteller den ASME-Standards folgen. Nicht nur wird die Glocke nach Konstruktion getestet, sondern bereits das vorläufige Design wurde so durchgeführt, dass es ASME-Regeln genügt. Die übergeordnete regulatorische Behörde für Tauchen, einschließlich gewerblichen Tauchens, in den USA ist die Coast Guard.

Zukunftsaussichten

Die US Navy testet auch verschiedene Tauchausrüstungen für den Eigenbedarf. Sie betreibt eine Experimental Diving Unit, die bestehende Ausrüstung testet und Spitzentechnologie erprobt. Die Unit beschäftigt auch Ärzte und Forscher, die physiologische Taucheffekte untersuchen. Einige dieser Forschungen könnten zu Vorschriften führen, die gewerbliche Taucher betreffen. Dies wiederum könnte Sicherheitsverfahren und Qualitätskontrolltests für Tauchglocken und andere Tauchapparate beeinflussen.

Gewerbliche Taucher verlassen sich täglich auf Tauchglocken für den Transport zwischen Druckkammer und Tiefseestelle. Die Entwicklung des Sättigungstauchens führte zu einer viel effizienteren Art, umfangreiche Unterwasserarbeiten durchzuführen, da Taucher nur einmal am Jobende dekomprimieren müssen. Einige aktuelle Forschungen untersuchen jedoch Wege, ganz auf Dekompression zu verzichten. Einige Forscher prüfen die Möglichkeit, Taucher mit künstlichen Kiemen auszustatten, um Sauerstoff direkt aus Wasser zu atmen. Eine andere mögliche neue Technologie heißt Flüssigatmung. Bei hohem Druck können Lungen, wenn sie mit einer sauerstoffhaltigen Flüssigkeit gefüllt sind, theoretisch weiter funktionieren. Hypothetisch könnte ein Sporttaucher sauerstoffhaltiges Fluorkohlenwasserstoff aus einem tragbaren Tank atmen. Dies würde es einem Taucher ermöglichen, tiefer zu tauchen, ohne Druckkammer und Tauchglocke. Ein weiterer Untersuchungsweg ist die biologische Dekompression. Ein spezielles Bakterium im Körper könnte Gase metabolisieren, die in Geweben Dekompressionskrankheit verursachen. Dies würde die Notwendigkeit der Dekompression in einer Kammer eliminieren. Wäre eine dieser Technologien für gewerbliche Taucher realisierbar, könnte das bestehende System aus Druckkammer und Tauchglocke sich verändern.

Weiterführende Informationen

Bücher

Beebe, William. Half Mile Down. New York: Dull, Sloan and Pearce, 1951.

Parker, Torrance R. 20,000 Jobs Under the Sea: A History of Diving and Underwater Engineering. Palos Verdes Peninsula, CA: Sub-Sea Archives, 1997.

Piccard, Jacques, and Robert S. Dietz. Seven Miles Down: The Story of the Bathyscaph Trieste. New York: G. P. Putnam's Sons, 1961.

Fachzeitschriften

Bachrach, Arthur J. "The History of the Diving Bell." Historical Diving Times (Frühling 1998).

Sonstiges

Diving Heritage Page. Juni 2001. https://www.divingheritage.com.

Angela Woodward