FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMIHäfen, Schifffahrtswege, Offshore-Anlagen, Pipelines und Datenkabel sind in Deutschland und Europa zunehmend Ziel von Sabotage und Terror. Das Fraunhofer EMI forscht daran, diese maritimen Strukturen widerstandsfähiger zu machen.
Die Fregatte F 222 Baden-Württemberg und der Einsatzgruppenversorger A 1412 Frankfurt am Main treffen sich im Ostatlantik im Rahmen des Indo-Pacific Deployment auf dem Transit, am 10.05.2024.
Schutz über und unter dem Wasser
Das Fraunhofer EMI forscht an der Widerstandsfähigkeit maritimer Strukturen über und unter Wasser. Mit umfangreicher Erfahrung in der Kurzzeit-Dynamik entwickeln wir optimale Lösungen.
© Bundeswehr/Nico Theska
Maritime Sicherheit
Beispielszenario verwundbarer Strukturen: Bedrohungen aus der Luft und im Wasser stellen für Häfen, Schifffahrtswege, Pipelines und andere maritime Strukturen eine große Herausforderung dar.
Bedrohungen aus der Luft und im Wasser stellen für maritime Strukturen wie Häfen, Schifffahrtswege oder Pipelines eine große Herausforderung dar. Sie gelten als kritische Bereiche, die besonderen Schutz benötigen. Und das hat gute Gründe, denn die Auswirkungen auf Versorgung, Kommunikation und das tägliche Leben bei einem Ausfall sind erheblich. Ein Beispiel ist das auf Grund gelaufene Containerschiff "Ever Given", das im Jahr 2021 den Suezkanal für fast eine Woche blockierte und eine globale Lieferkrise auslöste.
Vor diesem Hintergrund stellen sich drängende Fragen: Welche Bedrohungsszenarien sind zu erwarten oder denkbar? Welches Schadensbild wäre bei einem terroristischen Anschlag oder Sabotageakt zu erwarten? Und welche effektiven Schutzmaßnahmen lassen sich ableiten?
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzt sich das Fraunhofer EMI intensiv mit der Widerstandsfähigkeit maritimer Strukturen auseinander - über und unter Wasser. Dabei greift das Institut auf seine umfassende Erfahrung in der Kurzzeitdynamik zurück, um optimale Lösungen zur Sicherung maritimer Infrastrukturen zu entwickeln.
Simulationsgestützte Bewertung
Eine der zentralen Fragestellungen ist: Wie lassen sich komplexe Komponenten von Schutzstrukturen hinsichtlich dynamischer Lasteinträge, wie bei der Detonation einer Seemine, zuverlässig bewerten? Dies ist insbesondere in einem inkompressiblen Medium wie Wasser nicht einfach zu beantworten.
Seit über zehn Jahren forscht das Fraunhofer EMI im Bereich der Kurzzeitdynamik für das Umgebungsmedium Wasser. Fluid-Struktur gekoppelte Systeme, die den Lasten aus Unterwasserexplosionen (UNDEX) ausgesetzt sind, stellen eine Herausforderung für die numerische Simulation dar. Physikalisch anspruchsvolle Effekte aus den Nahfeldern, wie Kavitation und das Nachströmen aus der Gasblase der Abbrand-Produkte, beeinflussen die zu erwartenden Lastkurven erheblich.
Forschungsinteressen im maritimen Bereich
Die Forschung des Fraunhofer EMI im maritimen Bereich konzentriert sich auf mehrere entscheidende Themen:
Ein zentraler Aspekt ist die Simulation der Detonation von hochenergetischen Explosivstoffen sowie die Ausbreitung von Stoßwellen unter Wasser. Im Rahmen dieser Untersuchungen wird auch die Ein- und Auskopplung von Stoßwellen im Seeboden betrachtet, um die dynamische Lastbeanspruchung und die Wechselwirkungen mit Strukturen besser zu verstehen.
Simulationsbeispiel der Ausbreitung einer Stoßwelle nach einer Unterwasser Explosion von links nach rechts. Erkennbar sind die nach der Detonation entstehende Gasblase, die Reflektionen der Druckwelle an einem zweifach geschichteten Seeboden und die Entlastungswelle von der Oberfläche nach unten laufend. Schematisch erkennbar ist ein Boot an der Wasseroberfläche.
Ein weiterer Fokus liegt auf dem Testen effizienter Schutzmechanismen und Methoden, um die Widerstandsfähigkeit maritimer Infrastrukturen zu erhöhen. Zusätzlich analysiert das Fraunhofer EMI tiefenabhängige Unterwasserdetonationen, um deren physikalische Prozesse zu untersuchen und die Auswirkungen besser bewerten zu können. Die Simulation der Entstehung von Gasblasen nimmt dabei eine wichtige Rolle ein, da sie wesentliche Prozesse beeinflusst.
Links: Schematische Darstellung von Druckverlauf und Gasblasenentwicklung.
Rechts: zeitliche Entwicklung des Gasblasenradius in ms bei einer Ladung von 1kg TNT-Äquivalent und verschiedenen Wassertiefen.
Darüber hinaus wird erforscht, wie Skaleneffekte die Strukturantwort beeinflussen. Im Rahmen dieser Forschungsaktivitäten wird die Weiterentwicklung effizienter Simulationstools vorangetrieben. Dazu gehört der APOLLO Bastsimulator, eine eigene Entwicklung des EMI (Non-ITAR). Dieses Tool ermöglicht präzisere und zuverlässigere Analysen. Der APOLLO Blastsimulator basiert auf einer Finite-Volumen-Diskretisierung mit expliziter Zeitintegration auf einem kartesischen Gitter und einem zwei-Schritt-Verfahren für die Eulersche Integration. Eine Schnittstelle ermöglicht die Interaktion mit FE-Strukturcodes.
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer EMI
Durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer EMI profitieren unsere Partner von modernster Technologie und Expertise, die wir in der Praxis anwenden, um maritime Sicherheitslösungen zu entwickeln und Risiken effektiv zu minimieren.
Wir bieten fundierte Risikoanalysen, die auf den neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen basieren, und stellen sicher, dass Schutzmaßnahmen sowohl effektiv als auch effizient sind.
Unser Fachwissen unterstützt unsere Partner dabei potenzielle Gefahren zu identifizieren und geeignete Präventionsstrategien zu entwickeln, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit kritischer Systeme maximiert wird.