Unterwasser-Motorenlärm, Pegel und Auswirkungen: Die Ergebnisse unserer Studie

Bei TEMO wollten wir dies genauer untersuchen und ein besseres Verständnis des Themas erlangen. Unser Ziel war es, unser Wissen über Geräuschemissionen (sowohl von Verbrennungs- als auch von Elektromotoren) zu verbessern und Wege zu finden, diese für unsere zukünftigen Entwicklungen zu reduzieren, mit dem letztendlichen Ziel: unsere akustischen Auswirkungen auf die Meeresumwelt auf ein absolutes Minimum zu beschränken. In diesem Sinne wurden Forschungsarbeiten bei TEMO und in Zusammenarbeit mit der Ensta, einer der besten Ingenieurschulen Frankreichs, durchgeführt.

Unterwasser-Lärmbelästigung: Eine Realität, über die wir viel mehr hören sollten

Das Thema ist ebenso faszinierend wie komplex: Es ist eine Disziplin für sich. Wir finden Wellen, Formeln, wissenschaftliche Erkenntnisse und eine Fülle von Biodiversität. In der Bootswelt tragen unsere Motoren zum anthropogenen Lärm bei: ein disharmonischer Klang, der durch menschliche Aktivitäten erzeugt wird. Logischerweise beginnt unser Eintauchen mit der Messung der Emissionen unserer Motoren und ihrer Verbrennungsmotor-Äquivalente.

Wissenschaftliches Tauchen mit ENSTA Bretagne

Die Experten von ENSTA halfen uns, das als enorme Aufgabe erwiesene Projekt zu verfeinern. Das Messen und Analysieren von Geräuschen, insbesondere in einer aquatischen Umgebung, ist nichts, was improvisiert werden kann. Die Dozenten und Forscher dieser renommierten Universität, die Mitglied des Pariser Instituts für Technologie ist, sind Experten auf ihrem Gebiet. 

Im Juni 2024 nahmen sie am Lac de Guerlédan in der Bretagne unsere ersten Aufnahmen auf und analysierten sie, die im folgenden Winter intern verfeinert wurden. Gleichzeitig sammelten wir so viele ethologische Kenntnisse wie möglich. Nach langer und geduldiger Analyse verwandelten sich die Schallwellen allmählich in Zahlen und dann in Kurven: Wir hatten endlich robuste Vergleichselemente innerhalb eines klar definierten Referenzrahmens.

Von Wellen zu Verhalten: Die Welle des Lebens

In diesem Stadium, um die potenziellen Auswirkungen von anthropogenem Lärm auf die Tierwelt vollständig zu verstehen, mussten wir unseren menschlichen Referenzrahmen verlassen. Dies ist das Thema von Ethologen, deren geduldige Forschung Audiogramme für verschiedene Meeresarten erstellt hat: Säugetiere natürlich, aber auch Fische, Weichtiere und andere Wirbellose. Die menschliche Hörwahrnehmung reicht von etwa 20 Hz bis 2 kHz. Säugetiere sind uns, wenig überraschend, etwas ähnlich. Unter ihnen verwenden die verschiedenen Zahnwale, einschließlich des ikonischen Großen Tümmlers, Vokalisierungen zwischen 0,2 und 50 kHz zur sozialen Interaktion. Die Echolokationsklicks, die sie zur Navigation verwenden (die man mit unserem Sonar vergleichen könnte), nutzen ein Frequenzband zwischen 40 und 150 kHz. Dies ist ein sehr breites Wahrnehmungsspektrum, das die menschlichen Fähigkeiten weit übersteigt. Fische hingegen interagieren meist bei Frequenzen unter 1 kHz. Diese Details helfen uns zu verstehen, dass dieselbe Schallwelle verschiedene Arten je nach ihrer Hörfähigkeit unterschiedlich beeinflusst.

Maskierung: Die Hauptauswirkung der Freizeitschifffahrt

Es gibt auch mehrere Arten von Lärmauswirkungen: Für die Freizeitschifffahrt ist die Maskierung die bedeutendste. Diese entspricht der „Interferenz“, die durch anthropogenen Lärm auf die Frequenzen verursacht wird, die von Arten zur Kommunikation oder zur Selbstlokalisierung verwendet werden. Die maskierten Geräusche sind für die Arten nicht mehr wahrnehmbar. Diese Maskierung kann zu vitalen Verhaltensstörungen führen, insbesondere in Bezug auf den Reproduktionserfolg und den sozialen Zusammenhalt, was letztlich die Gesundheit einer Population durch einen Rückgang der Demografie und des Überlebens junger Individuen beeinträchtigen kann (Gallagher et al., 2021; Mortensen et al., 2021).

Quantifizierung von Lärm mittels Spektraldichte

Die relevanteste Darstellung in unserem Fall ist die Spektraldichte. Sie ermöglicht es uns, einen Schallpegel für eine gegebene Frequenz anzuzeigen. Wir haben uns entschieden, Kurven über ein Frequenzband zwischen 180 Hz und 45 kHz zu erstellen. Diese Methode ist besonders nützlich, um die lautesten Frequenzen zu bestimmen.

Abbildung 1: Spektraldichte der vier gemessenen Motoren (TEMO-Studie)

Elektro vs. Verbrennung: Was sagen uns die Messungen?

Die erste Beobachtung ist, dass Verbrennungsmotoren mehr Lärm erzeugen und dies auf konsistentere Weise. Unabhängig von den Frequenzen sind ihre Schallpegel stabil und höher. Bei Elektromotoren sind die Beiträge eher bestimmten Frequenzbereichen zuzuordnen. Obwohl die durchschnittlichen Unterschiede weniger auffällig sind als in der Luft, liegen sie im Durchschnitt bei etwa 10 dB SPL, was bedeutet, dass Verbrennungsmotoren fünfmal lauter sind. Um dies zu vergleichen, wäre es der Unterschied zwischen einem ruhigen Restaurant und einem Klassenzimmer voller lärmender Schulkinder! Die Unterschiede sind bei niedrigen Frequenzen deutlicher und nehmen bei hohen Frequenzen tendenziell ab.

Elektromotoren sind im Allgemeinen leiser, mit gelegentlichen Beiträgen

Bei Elektromotoren (und insbesondere beim TEMO·450) treten unter 2 kHz Spitzen auf, die gelegentlich denen von Verbrennungsmotoren entsprechen können. Diese können wahrscheinlich den Propellern zugeschrieben werden. Hochfrequente Spektrallinien erscheinen im Spektrum des TEMO·1000. Bei drei unterschiedlichen und präzisen Frequenzen erreichen oder überschreiten ihre Geräuschpegel die von Verbrennungsmotoren. Diese können der Leistungselektronik zugeschrieben werden (PWM für Pulsweitenmodulation), die die Motorgeschwindigkeit variieren lässt.

Insgesamt stärkere Maskierung tieffrequenter Kommunikation bei Verbrennungsmotoren.

Ein höherer Gesamtgeräuschpegel, insbesondere bei niedrigen Frequenzen: Dies ist die Schlussfolgerung, die aus den Geräuschemissionen der von uns getesteten Verbrennungsmotoren gezogen werden kann. Da sich niedrige Frequenzen besser ausbreiten, wird dieser Beitrag über ein breites Spektrum mehr Frequenzen maskieren, die von Wildtieren genutzt werden, und dies über ein größeres Gebiet. Dies ist die allgemeine Schlussfolgerung, die aus diesen Ergebnissen gezogen werden kann. Die für diese Motoren geringer Leistung (Elektro- und Verbrennungsmotoren zusammen) gemessenen Werte scheinen, selbst unter Berücksichtigung von Instrumentenfehlern, nicht auszureichen, um Wildtieren Verletzungen zuzufügen, selbst vorübergehend nicht. Ihre Auswirkungen sind eher verhaltensbedingt. Einige Arten können betroffen sein, aber es ist schwierig, spezifische Auswirkungen zu identifizieren, da es auch Interaktionen gibt und die Störung bestimmter Arten das Gleichgewicht eines Ökosystems stören kann. Unsere Studie ging nicht so weit.

Ergebnisse durch zwei europäische Studien bestätigt

Obwohl nur wenige Experimente den direkten Vergleich zwischen Verbrennungs- und Elektroantrieb anstellen, haben jüngste Studien weitgehend ähnliche Ergebnisse erzielt. Dies ist der Fall bei Veröffentlichungen von Aradi et al. im Mai 2024 und Gaggero et al. im Februar 2024. Erstere beobachteten einen durchschnittlichen Unterschied von 10-15 dB SPL, während die italienische Studie in ihrer Fallstudie (zwei Torqeedo-Elektro-Außenborder gegenüber einem 40-PS-Außenbordmotor) einen Unterschied von 5-7 dB feststellte.

Abbildung 2: Schallpegel für Elektroboote (EB) und Boote mit Verbrennungsmotor (CEB), die mit 4 und 6 Knoten fahren (Gaggero et al., 2024)  

In jedem Fall betonen die Autoren, dass Elektromotoren bei niedrigen Frequenzen deutlich weniger beitragen und hochfrequente Linien aufgrund von MLI emittieren.  

Abbildung 3: Maskierungsbereich berechnet für den Adlerfisch (Terzband 315 Hz) (Gaggero et al., 2024)  

• a: Verbrennungsmotor
• b: Elektromotor

Auch unsere eigenen Messungen zeigen eine schnelle Dämpfung der Schallimmissionen von Elektromotoren: in 30 Metern Entfernung (100 Fuß) können sie nur auf wenigen Frequenzen vom Umgebungslärm unterschieden werden, im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die weitgehend hörbar bleiben. Ihre Ergebnisse stimmen damit überein und zeigen reduzierte Einwirkungsbereiche für Elektromotoren (Abbildung b).

Abbildung 4: Spektraldichte der vier Motoren, gemessen 30 m von der Quelle entfernt (TEMO-Studie)

Der Beitrag von Elektromotoren zur Reduzierung des anthropogenen Lärms und seiner Auswirkungen ist daher weitgehend positiv, wie auch eine australische Vergleichsstudie zwischen einer Elektrofähre und einer konventionellen Fähre (Parsons et al., 2020) zeigt. Neue, spezifische Auswirkungen auf bestimmte Arten, die durch PWM verursacht werden, müssen jedoch weiterhin detailliert untersucht werden. Vor allem muss dieser Aspekt in unsere Spezifikationen aufgenommen werden, um die Auswirkungen weiter zu reduzieren und zu verstärken und zu einer der größten Herausforderungen für unsere Ingenieurteams zu werden, zusammen mit dem Propellerdesign.

Motoren, angepasst an reale Anwendungen

Diese Ergebnisse allein verdecken auch eine weitere Realität, an die uns die Logistik unserer Tests erinnert hat. Typische Anwendungen im Bootsbereich sind kurze Fahrten (z. B. an Land gehen), Küstenfischerei und kurze Ausflüge unter Motor. In all diesen Fällen werden regelmäßig Annäherungsmanöver durchgeführt, meist bei niedriger Geschwindigkeit, und es gibt regelmäßige Perioden des reinen Treibens, aber mit laufendem Motor.

All diese Anwendungsfälle rechtfertigen den Einsatz von Elektromotoren voll und ganz, da sie nicht nur die technischen Vorteile der Motoren nutzen, sondern auch die Situationen darstellen, in denen die Unterschiede in den Geräuschemissionen zwischen den beiden Technologien am deutlichsten werden:

• Keine Geräusche, wenn der Elektromotor ausgeschaltet ist
• Sehr geringe Geräusche des Elektromotors bei niedrigen Geschwindigkeiten (Annäherungsmanöver)
• Unterschied in der Antriebseffizienz bei niedrigen Geschwindigkeiten zwischen den beiden Technologien, was zu einer stärkeren Reduzierung von Vibrationen in diesen Betriebsbereichen führt. Das direkt verfügbare maximale Drehmoment von Elektromotoren verzögert das Einsetzen der Propellerkavitation.

Die Ergebnisse und ein Ziel

Unsere eigenen Messungen und bestehende Studien haben zwar unsere Intuition und die Gültigkeit der Entwicklung von Elektrotechnologie bestätigt, aber auch ihre aktuellen Grenzen und Verbesserungspotenziale aufgezeigt. Wir sind durch diese Studie gewachsen, die uns an das Ausmaß der marinen Biodiversität und unsere Verantwortung erinnert: Wir sind nur Gäste auf den Ozeanen. Dieses Wissen zwingt uns zum Handeln. 

„Eile mit Weile und ohne den Mut zu verlieren, lege deine Arbeit zwanzigmal auf den Amboss.“ Diese Zeilen des französischen Dichters Nicolas Boileau aus dem 17. Jahrhundert klingen nach, wenn es darum geht, Technologie und Biowissenschaften zu verbinden.

Keine Herausforderung ist unüberwindbar, wenn wir das richtige Ziel verfolgen. Und bei TEMO ist es unser Ziel, unseren Einfluss weiter zu reduzieren. Um dies zu erreichen, haben wir zwei Schwerpunkte identifiziert: 

• Unsere Anstrengungen zur Sensibilisierung für die Auswirkungen der Freizeitschifffahrt und die Möglichkeiten zur Reduzierung dieser Auswirkungen fortzusetzen.  
• Unterwasserlärm in unsere Umweltherausforderungen zu integrieren.

Für letzteres haben wir begonnen, unser Designteam zu mobilisieren, um Geräuschreduktionsziele nicht nur für die Leistungselektronik, sondern auch für das Propellerdesign zu verfolgen. Die Herausforderung ist immens und geht über den einfachen Erfolg von TEMO hinaus. Deshalb hoffen wir auch, dass dieser Artikel als Aufruf an alle dient, die sich für dieses Ziel einsetzen möchten, und vielleicht sogar als Gelegenheit, ein industrielles Kollektiv zu schaffen, das motiviert ist, diese Ziele zu erreichen. 

Allein sind wir schneller. Gemeinsam kommen wir weiter: Eile mit Weile!