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Michael Ronner Experte für Technik & Hörakustik
In wohl jedem Film mit U-Booten hören wir diese charakteristischen Ping-Geräusche - das Sonar. Der Begriff Sonar steht für "Sound Navigation and Ranging" und ist ein Akronym, was übersetzt Schall-Navigation und Entfernungsmessung bedeutet. Dabei werden Schallwellen durch das Wasser gesendet und durch das Echo Objekte geortet.
Inhaltsverzeichnis
Was ist ein Sonar?
Der Begriff Sonar ist ein Akronym und steht für "Sound Navigation and Ranging" - was auf Deutsch Schall-Navigation und Entfernungsmessung bedeutet. Durch das Aussenden von Schallwellen und das Auffangen und Auswerten der entsprechenden Echos dieser kann das Sonarsystem die gesamte Umgebung visualisieren, um eine Navigation unter Wasser zu ermöglichen. So können nicht nur Berge und andere natürliche Hindernisse im Wasser geortet werden, sondern auch künstliche Objekte wie andere Unterwasserfahrzeuge oder Schiffe. Das gleiche Prinzip nutzen Fledermäuse, um auch nachts, in völliger Dunkelheit, jagen zu können, ohne gegen Äste, Felsen oder Häuserwände zu fliegen.
Bekannt aus jedem Film mit U-Booten - das charakteristischen Ping-Geräusche des Sonars.
Wann wurde diese Technik erfunden?
Bereits Leonardo DaVinci hat im Jahre 1490 festgestellt, dass eine Ortung von Geräuschen unter Wasser auf grosse Entfernungen möglich ist. Allerdings ist nicht überliefert, ob und wie das Prinzip damals gewinnbringend eingesetzt werden konnte. Erst durch den Einsatz von Tauchbooten im Ersten Weltkrieg stieg das Verlangen nach einer präzisen Ortung von Objekten unter Wasser. So kam es bereits in diesem Zeitraum zum Einsatz von passiver Unterwasserschallortung, wenngleich diese noch eine recht geringe Reichweite hatten. Erst im Zweiten Weltkrieg wurden regelmässig und mit grossem Erfolg aktive Sonarsysteme eingesetzt. Allerdings gab es hier lediglich richtungsbewiesene Sender, die den Schall nur in eine vorab festgelegte Richtung senden konnten und nicht, wie heutzutage, sektorenweise oder nahezu rundum. Konnte sich ein getauchtes Boot dem Strahl entziehen, war es mitunter sehr schwer, dieses wiederzufinden, da es in alle Richtungen und Wassertiefen entfliehen konnte.
Nach den Weltkriegen entwickelten sich Sonarsysteme stetig weiter und fanden auch im zivilen Bereich zur Ortung von Fischen Einzug.
Dennoch findet die Nutzung bis heute zum überwiegenden Teil im militärischen Sektor statt. Während moderne, aktive Niederfrequenzsonare eine Reichweite von über 20 Kilometern haben, können passive Systeme noch Geräusche aus über vielen hundert Kilometern auffassen.
Wie funktioniert ein Sonar?
Das Prinzip eines Echolotes ist vielen geläufig - ein Schiff sendet ein Schallsignal senkrecht nach unten und fängt das Echo wieder auf. Anhand der Laufzeit des Signals zwischen Aussendung und Auffangen wird errechnet, wie weit es bis zum Meeresgrund, also wie tief es ist. Das Echolot ist die einfachste Form eines aktiven Sonarsystems. Unterwasserfahrzeuge müssen jedoch nicht nur wissen, wie tief es unter ihnen ist, sondern auch, ob vor ihnen freies Wasser ist oder sich gar eine Felsformation befindet. Dafür wird der Schall nicht nur senkrecht nach unten ausgesendet, sondern omnidirektional - in alle Richtungen.
Ein Schiff sendet ein Schallsignal senkrecht nach unten und fängt das Echo wieder auf.
Daneben gibt es noch passive Sonarsysteme. Diese sind eine Zusammenschaltung aus vielen kleinen Hydrophonen - Mikrofone unter Wasser. So können Unterseeboote nahezu lautlos durchs Wasser gleiten und lauschen einfach nur, ob und welche Objekte in der Umgebung Geräusche emittieren. Das können beispielsweise die Schraubengeräusche anderer Schiffe sein. Allerdings kann mit passivem Sonar, im Gegensatz zum aktiven, lediglich die genaue Richtung, nicht jedoch die Distanz gemessen werden, da die Laufzeit der erfassten Töne nicht bekannt ist. Da natürliche Objekte wie Felsen oder Sand keine Geräusche aussenden, kann ein passives Sonarsysteme diese auch nicht orten. Eine Navigation ist somit ohne eine aktive Aussendung von Schall nicht oder nur bedingt anhand Seekarten und Inertialnavigationsgeräten möglich.
Kann man Sonar-Pings hören? Der Unterschied zwischen aktivem und passivem Sonar
Ist in Filmen ein Unterseeboot zu sehen, wird ständig dieses Ping-Geräusch eingespielt. Das ist allerdings nur die halbe Wahrheit. In Realität pingen Unterseeboote äusserst selten, sondern sie lauschen viel eher. Mit dem aktiven Aussenden der Töne zur Navigation und Ortung verraten sie nämlich sofort ihren Standort, da diese Signale sehr energiereich sind und auf weite Entfernungen geortet werden können - auch mit blossen Ohren. Daher wird bei Unterseebooten zumeist das passive Sonar eingesetzt, da es oberste Priorität hat, nicht entdeckt zu werden. Die Hydrophone sind so fein, dass anhand der Schraubengeräusche eines vorbeifahrenden Wasserfahrzeuges der Schiffstyp festgestellt werden kann - und zwar bis über hunderte Kilometer Entfernung.
Es gibt je nach Anwendungsbereich diverse Varianten von passiven Sonaren: für das Auffangen von niederfrequenten Geräuschen aus grossen Entfernungen und sehr feinfühlige, richtungsgewiesene Hydrophone, die selbst Pumpengeräusche oder laute Schritte in einem anderen Boot in der Nähe wahrnehmen können.
Das aktive Sonarsystem kommt in Unterseebooten nur in seltenen, speziellen Situationen zum Einsatz. Es gibt zum Beispiel Minen-Meide-Sonare, die mittels hoher Frequenz auf kurzen Distanzen sehr feinfühlig sind und somit Seeminen im Bereich vor dem Boot sicher aufspüren können. Um feindliche Boote zu detektieren, wird in der Regel ausschließlich mit passivem Sonar gearbeitet, um die eigene Position nicht zu verraten. Es kann dann ein Torpedo verschossen werden, ohne dass der Angegriffene überhaupt von der eigenen Anwesenheit weiss. Die Torpedos selbst nutzen dann jedoch ein aktives Sonarsystem, um das zu versenkende Schiff auch sicher zu finden. Der Beschossene merkt dann zwar, dass er von einem aktiven Sonar erfasst wurde, unter anderen durch die aus Filmen bekannten Ping-Geräuschen, doch es bleibt dann nur sehr wenig Zeit, Abwehrmassnahmen zu ergreifen. Und diese sind in der Regel auch wenig effektiv gegen moderne Torpedos. Also wenn man Ping-Geräusche in einem U-Boot hört, kann man nur hoffen, dass ein befreundetes Schiff diese aussendet, andernfalls muss man davon ausgehen, in kurzer Zeit getroffen zu werden.
Wo wird aktives Sonar regelmässig eingesetzt, wenn nicht auf U-Booten?
Wie bereit eingangs beschrieben, ist ein Echolot, wie jedes Schiff es haben sollte, eine Art des aktiven Sonarsystems.
Es gibt aber auch viele Überwasserschiffe, die andere Formen des aktiven Sonars nutzen. Neben Kriegsschiffen, die damit nach gegnerischen Booten suchen, verwenden auch Fischtrawler diese Technik, um so Fischschwärme aufspüren zu können. Auch die Beschaffenheit des Meeresbodens kann man dieser Technik analysiert werden.
Mit einem Sonar können Fischer auch Fische und Schwärme aufspüren.
Es gibt jedoch auch stationäre Aktivsonare, die die Unterwasserwelt abscannen und somit beispielsweise wichtige Häfen vor Bedrohungen schützen sollen.
Umweltschädigungen durch Sonarsysteme
Die aktive Aussendung von Schallwellen ist auch ein Prinzip, das sich diverse Meeressäugetiere zu Nutzen machen. Viele Wal- und Delfinarten nutzen diese Geräusche, um zu kommunizieren, zu navigieren und auch um Beute aufzuspüren. Daher sind ihre Ohren für diese Frequenzen sehr sensibel.
Da es nach militärischen Manövern auf dem Wasser regelmässig zu darauffolgenden Walstrandungen kam, wurden diesbezüglich Untersuchungen angestellt und die gestrandeten Tiere obduziert. Es stellte sich heraus, dass die von Sonarsystemen ausgesandten Schallwellen so viel Energie besitzen, dass sie Gehirnblutungen, Gefässverletzungen und Kreislauf-Kollapsen bei Walen und Delfinen auslösen können.
Aktives Sonar führt zu Gehirnblutungen und Kreislauf-Kollapsen bei Walen und Delfinen.
Dies muss zu unerträglichen Schmerzen bei den Tieren führen, wodurch diese in blinder Panik davonschwimmen und, ihren eigenen Navigationsmöglichkeiten beraubt, somit teilweise Kurs auf Land nehmen und stranden. Auch wurden Tiere untersucht, die vor Schreck und Schmerzen zu schnell aus grosser Tiefe auftauchten und dadurch den Verletzungen durch sich zu schnell ändernden Wasserdruck erlagen.
Untersucht werden konnten bisher jedoch nur die gestrandeten Tiere. Andere, die auf offenem Meer starben und somit auf den Meeresgrund sanken, bilden eine hohe Dunkelziffer. Auch wissen wir nicht, wie andere Lebewesen, wie Wasserschildkröten, Fische oder Kraken auf die enorme Geräuschbelastung reagieren.
Umweltorganisationen wie Greenpeace fordern daher, aktives Sonar nicht mehr einzusetzen, insbesondere da keine notwendigen Einsatzszenarien wie Kriege vorliegen.