Geräuschpegel und Auswirkungen von Unterwassermotoren: Ergebnisse unserer Hauptstudie

Bei TEMO wollten wir das Thema besser verstehen und ein tieferes Verständnis dafür entwickeln. Unser Ziel ist es, unser Wissen über Lärmemissionen (thermische und elektrische) zu erweitern und Wege zu finden, diese für zukünftige Entwicklungen zu reduzieren . Unser oberstes Ziel ist es, die akustischen Auswirkungen auf die Meeresumwelt so gering wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck wurden Forschungsarbeiten innerhalb von TEMO und in Zusammenarbeit mit der ENSTA Bretagne (École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Bretagne) durchgeführt.

Unterwasserlärm : eine Realität, die mehr Lärm macht, als es scheint.

Das Thema ist ebenso faszinierend wie komplex: Es bildet eine eigene Disziplin. Es umfasst Wellen, Formeln, einen reichen Fundus an wissenschaftlichem Wissen und eine immense Artenvielfalt. In diesem Universum sind unsere Motoren Teil des anthropogenen Lärms : ein disharmonischer Klang, der durch menschliche Aktivitäten entsteht. Logischerweise beginnt unsere Untersuchung daher mit der Messung der Emissionen unserer Motoren und ihrer thermischen Äquivalente.

Wissenschaftliches Tauchen mit ENSTA Bretagne.

Wenden wir uns nun den Experten der ENSTA zu, die uns einen guten Start in dieses Projekt ermöglichten, das sich als recht umfangreich erwies. Das Messen und Analysieren von Geräuschen, insbesondere in aquatischen Umgebungen, ist keine Aufgabe, die man improvisieren kann. Die Forschungsprofessoren dieser renommierten Ingenieurschule, die dem Institut Polytechnique de Paris angehört, beherrschen ihr Fachgebiet perfekt.

Im Juni 2024 fertigten und analysierten sie am Guerlédan-See unsere ersten Aufnahmen, die im darauffolgenden Winter intern verfeinert wurden. Gleichzeitig trugen wir so viele ethologische Erkenntnisse wie möglich zusammen. Nach einem langen und geduldigen Analyseprozess wandelten sich die Schallwellen allmählich in Zahlen und dann in Kurven um: Wir hatten schließlich robuste Vergleichselemente innerhalb eines klar definierten Bezugssystems.

Ethologie? Das ist die Verhaltensforschung. Wenn wir Lärm machen, müssen wir verstehen, warum und wie dieser die Tiere stören kann. Und wir haben in Frankreich das Glück, über eine Fülle von Experten zu verfügen: Allein im französischen Sprachraum gibt es unzählige Publikationen zu diesem Thema!

Die „ Superkraft “ des Klangs.

Kehren wir kurz zu den spezifischen Eigenschaften der Schallausbreitung in aquatischen Umgebungen zurück: Beschleunigung, größere Reichweite und starke Abhängigkeit von Umweltparametern. Für das Leben unter Wasser ist Akustik in der Dunkelheit ein universelles und lebenswichtiges Werkzeug.

Es hilft dir, dich zu orientieren, zu jagen und Gefahren zu erkennen. Die Dichte des Wassers erleichtert die Energieübertragung und die Ausbreitung niederfrequenter Wellen . Wenn du deinen Kopf unter Wasser tauchst, hörst du Geräusche aus größerer Entfernung, deutlicher und viel früher, als du sie an der Luft wahrnehmen kannst. Es ist fast wie eine Superkraft.

Von der Welle zum Verhalten: die Welle des Lebens.

Um die potenziellen Auswirkungen von menschengemachtem Lärm auf Wildtiere vollständig zu verstehen, müssen wir unseren menschlichen Bezugsrahmen verlassen. Hier kommen Ethologen ins Spiel, deren akribische Forschung es ihnen ermöglicht hat, Audiogramme für verschiedene Meeresarten zu erstellen: Säugetiere, aber auch Fische, Weichtiere und andere Wirbellose. Das menschliche Hörvermögen reicht von etwa 20 Hz bis 2 kHz. Säugetiere ähneln uns erwartungsgemäß in gewisser Weise. Zahnwale, darunter der bekannte Große Tümmler, nutzen Laute zwischen 0,2 und 50 kHz für ihre sozialen Interaktionen. Die Echoortungslaute, die sie zur Navigation verwenden (vergleichbar mit unserem Sonar), nutzen ein Frequenzband zwischen 40 und 150 kHz. Dieser sehr breite Wahrnehmungsbereich übersteigt die menschlichen Fähigkeiten bei Weitem. Fische hingegen interagieren hauptsächlich bei Frequenzen unter 1 kHz. Diese Erkenntnisse helfen uns zu verstehen, dass dieselbe Schallwelle verschiedene Arten je nach ihrem Hörvermögen unterschiedlich beeinflusst.

Sichtbehinderung : die Hauptauswirkung der Freizeitschifffahrt.

Es gibt verschiedene Arten von Lärmbelastungen: Für die Freizeitschifffahrt ist die Überdeckung die bedeutendste. Sie entspricht der „ Interferenz “ anthropogener Geräusche mit den Frequenzen, die Tiere zur Kommunikation oder Navigation nutzen. Die überdeckten Geräusche sind für die Tiere nicht mehr wahrnehmbar. Diese Überdeckung kann schwerwiegende Verhaltensstörungen hervorrufen, insbesondere den Fortpflanzungserfolg und den sozialen Zusammenhalt beeinträchtigen und potenziell die Gesundheit einer Population durch einen Rückgang der Populationsgröße und der Überlebensrate von Jungtieren schädigen (Gallagher et al., 2021; Mortensen et al., 2021).

Rauschen quantifizieren mittels spektraler Dichte .

Die relevanteste Darstellungsform in unserem Fall ist die spektrale Leistungsdichte . Sie ermöglicht es uns, den Schallpegel für eine bestimmte Frequenz darzustellen. Wir haben Kurven über ein Frequenzband zwischen 180 Hz und 45 kHz erstellt. Diese Methode eignet sich besonders gut, um die lautesten Frequenzen zu ermitteln.

Elektrisch versus thermisch : Was sagen uns die Messungen?

Die erste Beobachtung betrifft den stärkeren und konstanteren Beitrag von Verbrennungsmotoren zum Geräuschpegel . Unabhängig von der Frequenz ist ihr Schallpegel stabil und höher. Bei Elektromotoren konzentriert sich der Beitrag stärker auf bestimmte Frequenzbereiche . Obwohl die durchschnittlichen Unterschiede weniger ausgeprägt sind als beim Luftschall, betragen sie im Schnitt etwa 10 dB SPL, was bedeutet , dass Verbrennungsmotoren fünfmal lauter sind . Zum Vergleich: Dies entspräche dem Unterschied zwischen einem ruhigen Restaurant und einem lauten Klassenzimmer! Die Unterschiede sind bei niedrigeren Frequenzen deutlicher wahrnehmbar und verringern sich bei höheren Frequenzen.

Bei Elektrofahrzeugen sind die Motoren im Allgemeinen leiser. und gelegentliche Beiträge.

Bei Elektromotoren (insbesondere dem T450) treten Frequenzspitzen unterhalb von 2 kHz auf, mit gelegentlichen Ausreißern, die denen von Verbrennungsmotoren entsprechen können. Diese sind wahrscheinlich auf den Propeller zurückzuführen . Im Spektrum des T1000 sind hochfrequente Spektrallinien zu erkennen. Bei drei unterschiedlichen Frequenzen erreicht oder übersteigt deren Geräuschpegel den von Verbrennungsmotoren. Dies wird der Leistungselektronik (Pulsweitenmodulation, PWM) zugeschrieben, die die Drehzahlregelung des Motors ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei Verbrennungsmotoren eine stärkere Maskierung niederfrequenter Kommunikationssignale stattfindet.

Ein generell höherer Geräuschpegel, insbesondere bei niedrigen Frequenzen: Dies ist die Schlussfolgerung, die wir aus den Geräuschemissionen der von uns getesteten Verbrennungsmotoren ziehen können. Da sich niedrige Frequenzen leichter ausbreiten, überdeckt dieser Beitrag über ein breites Frequenzspektrum hinweg mehr für Wildtiere relevante Frequenzen und das in einem größeren Gebiet. Dies ist die allgemeine Schlussfolgerung, die wir aus diesen Ergebnissen ziehen können. Die für diese leistungsschwachen Motoren (Elektro- und Verbrennungsmotoren zusammengenommen) beobachteten Werte scheinen, selbst unter Berücksichtigung von Messfehlern, nicht auszureichen, um Wildtieren Schaden zuzufügen, auch nicht vorübergehend . Ihre Auswirkungen sind eher verhaltensbezogen. Wir können zwar einige Arten gezielt beeinflussen, aber es ist schwierig, genaue Auswirkungen zu bestimmen, da Wechselwirkungen bestehen und die Störung bestimmter Arten das Gleichgewicht eines Ökosystems stören kann. Unsere Studie geht nicht so weit.

Diese Ergebnisse wurden durch zwei europäische Studien bestätigt.

Obwohl nur wenige Experimente Verbrennungsmotoren und Elektromotoren direkt vergleichen, haben neuere Studien recht ähnliche Ergebnisse erzielt. Dies trifft beispielsweise auf die Veröffentlichungen von Aradi et al. (Mai 2024) und Gaggero et al. (Februar 2024) zu. Erstere beobachteten einen durchschnittlichen Unterschied von 10–15 dB SPL, während die italienische Studie für ihr Szenario (zwei Torqueedo-Motoren im Vergleich zu einem 40-PS-Außenbordmotor) einen Unterschied von 5–7 dB ermittelte.

Abbildung 2: Geräuschpegel für ein Elektroboot (EB) und ein Boot mit Verbrennungsmotor (CEB) bei Geschwindigkeiten von 4 und 6 Knoten (Gaggero et al., 2024).

Die italienische Studie schlägt ein Maskierungsmodell für zwei Arten vor (den Braunen Umberfisch - eine Fischart und den Großen Tümmler).

In allen Fällen heben die Autoren hervor, dass bei Elektromotoren der Beitrag der Pulsweitenmodulation (PWM) zu den Niederfrequenzen und die Emissionen der Hochfrequenzleitungen deutlich geringer ausfallen .

Abbildung 3: Berechneter Maskierungsumfang für den Corb (Terz-Oktavband 315 Hz) (Gaggero et al., 2024)

• a: Verbrennungsmotor
• b: Elektromotor

Unsere eigenen Messungen zeigen ebenfalls eine rasche Dämpfung der Emissionen von Elektromotoren : In 30 m Entfernung sind sie vom Umgebungsgeräusch nur noch bei wenigen Frequenzen unterscheidbar, im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die weiterhin deutlich hörbar sind. Ihre Ergebnisse bestätigen diese Beobachtung durch die Darstellung reduzierter Eindringzonen für Elektromotoren (Abbildung b).

Abbildung 4: Spektrale Leistungsdichte der 4 Motoren, gemessen in 30 m Entfernung von der Quelle (TEMO-Studie)

Der Beitrag von Elektromotoren zur Reduzierung anthropogener Lärmbelastung und ihrer Auswirkungen ist daher überwiegend positiv, wie auch eine australische Vergleichsstudie zwischen einer elektrischen und einer konventionellen Fähre belegt (Parsons et al., 2020). Die neuen, artenspezifischen Auswirkungen sowie die Auswirkungen der Leistungselektronik müssen jedoch weiterhin detailliert untersucht werden. Dieser Aspekt muss unbedingt in unsere Spezifikationen einfließen, um die Reduzierung der Umweltauswirkungen weiter voranzutreiben und zu verstärken. Er wird neben der Propellerkonstruktion zu einer der größten Herausforderungen für unsere Ingenieurteams .

Elektromotoren , angepasst an reale Anwendungsbereiche .

Diese strengen Ergebnisse verschleiern jedoch eine weitere Realität, die die Logistik unserer Tests offenbart hat. Typische Anwendungsfälle beim Bootfahren sind kurze Fahrten (vom Boot zum Ufer), Küstenfischen und motorisierte Ausflüge. In all diesen Fällen werden regelmäßig Anfahrtsmanöver durchgeführt, die Bootsgeschwindigkeit wird größtenteils beibehalten, und es gibt regelmäßige Phasen des Driftens mit laufendem Motor.

Alle diese Anwendungsfälle rechtfertigen den Einsatz von Elektromotoren vollauf , denn sie ermöglichen es uns nicht nur, die technischen Vorteile der Technologie zu nutzen, sondern stellen auch die Situationen dar, in denen die Unterschiede in den Geräuschemissionen zwischen den beiden Technologien am deutlichsten zutage treten:

• Kein Geräusch beim Stillstand des Elektromotors;
• Sehr geringe Geräuschentwicklung des Elektromotors bei niedriger Drehzahl (Anflugmanöver);
• Der Unterschied im Wirkungsgrad des Antriebs bei niedrigen Drehzahlen zwischen den beiden Technologien führt zu einer stärkeren Vibrationsreduzierung in diesen Betriebsbereichen. Das von den Elektromotoren sofort verfügbare maximale Drehmoment trägt dazu bei, das Auftreten von Propellerkavitation zu verzögern.

Ergebnisse und Ambitionen.

Unsere Messungen und bestehende Studien haben zwar unsere Vermutungen und die Vorteile der Entwicklung elektrischer Technologien bestätigt, aber auch deren aktuelle Grenzen und Verbesserungspotenzial aufgezeigt. Aus dieser aktuellen Übersicht gehen wir bereichert hervor durch die Schönheit der marinen Biodiversität und das Bewusstsein unserer Verantwortung, denn auf den Ozeanen sind wir nur Gäste . Dieses Wissen treibt uns an.

„ Eile langsam und ohne den Mut zu verlieren. Zwanzigmal spanne dein Werk wieder auf den Webstuhl. “ Diese Verse von Nicolas Boileau hallen wider in einer Zeit, in der Poesie und Technik, Technologie und Lebenswissenschaft miteinander verbunden werden müssen.

Keine Herausforderung ist unüberwindbar, wenn man das richtige Ziel verfolgt. Und unser Ziel bei TEMO ist es, unsere Umweltauswirkungen weiter zu reduzieren . Um dies zu erreichen, haben wir zwei Schlüsselbereiche identifiziert:

• Wir werden unsere Bemühungen fortsetzen, das Bewusstsein für die Auswirkungen des Freizeitbootfahrens und für Möglichkeiten zu deren Reduzierung zu schärfen.
• Integration von Unterwassergeräuschen in unsere Umweltherausforderungen.

Bezüglich dieses letzten Punktes mobilisieren wir unsere Entwicklungsabteilung, um die Ziele der Geräuschreduzierung sowohl in der Leistungselektronik als auch im Propellerdesign zu verfolgen. Die Herausforderung ist immens und geht weit über den Erfolg von TEMO hinaus. Daher hoffen wir, dass dieser Artikel als Aufruf zum Handeln für alle dient, die sich für dieses Ziel engagieren möchten, und vielleicht sogar als Chance, ein industrielles Netzwerk zu gründen, das sich gemeinsam für die Erreichung dieser Ziele einsetzt.

Allein kommen wir schneller voran; gemeinsam kommen wir weiter; lasst uns langsam eilen!

Geschwindigkeit ist nicht unsere Angelegenheit, Zusammenarbeit schon.