Sie treten aus dem Nichts auf und werden bis zu 30 Meter hoch – in der Geschichte der Seefahrt haben sie schon viele Schiffe und Menschen in den Abgrund gerissen. Lange hielt man die schrecklichen Berichte über Monsterwellen für Seemannsgarn. Bis 1995 ein Exemplar die Draupner-Ölbohrplattform in der Nordsee traf und deren automatische Wellenmessanlage den Vorfall mitschnitt. Der Beweis ihrer Existenz galt damit als erbracht.

Doch warum überhaupt diese Extremereignisse immer wieder auftreten – zu jeder Zeit ziehen schätzungsweise 20 von ihnen über die Weltmeere –, können Forscher nicht vollständig erklären. Norbert Hoffmann und seine Kollegen von der TU Hamburg-Harburg haben sich daher Monsterwellen ins Labor geholt.

"Wenn man danebensteht, sieht man eigentlich gar nichts", gibt Hoffmann zu. In ihrem 20-mal-1-Meter-Becken schwappt der gefürchtete Seegang mit kaum drei Zentimetern Wellenhöhe. Die Bedingungen auf See würden heruntergerechnet, erzählt der Forscher. Eine hydraulische Klappe am einen Ende des Beckens erzeugt die winzigen Monster. Um die Bewegungen vollständig zu vermessen, braucht das Team lediglich einen präzisen Wasserstandsanzeiger.

"Discoverer" in schwerer See
© NOAA
(Ausschnitt)
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Hier stampft das NOAA-Schiff "Discoverer" durch schwere See im Beringmeer. Bis heute ist nicht abschließend geklärt, wie Monsterwellen entstehen.
Eine Gleichung für kleine und große Wellen

Freilich geht es den Forschern auch gar nicht um spektakuläre Effekte. Sie suchen nach einer mathematischen Beschreibung der Monsterwellen – und wurden fündig in der Quantenmechanik. Dort wird die so genannte nichtlineare Schrödingergleichung üblicherweise zur Berechnung allerkleinster Wellen verwendet, der Bewegung von Elektronen etwa. "Wir waren selbst überrascht, wie gut die künstlichen Wellen, die wir nach den mathematischen Vorgaben erzeugt haben, mit den Beobachtungen an der Natur übereinstimmt", sagt Hoffmann.

Was passiert, wenn im Wasser nach vielen Wellen gleicher Größe plötzlich eine ganz kleine kommt? Die Antwort darauf liefert eine nach Howell Peregrine benannte, spezielle Lösung der Schrödingergleichung. "Im Prinzip diskutieren Forscher schon länger, dass Monsterwellen durch solche Störungen entstehen könnten, und die Peregrine-Lösung existiert auch bereits seit 30 Jahren. Außer uns hat sich aber noch niemand die Mühe gemacht, sie in Rezepte für reale Wellen umzuwandeln", erklärt Hoffmann.

Wellentank
© Amin Chabchoub / TU Hamburg-Harburg
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In diesem unscheinbaren Wasserbecken simulieren die Hamburger Wellenforscher Monsterwellen: in der Natur rund 30 Meter hoch – hier nur 3 Zentimeter.
Dass es sich gelohnt hat, zeigen nicht nur die künstlichen Miniwellen, sondern auch Folgebeobachtungen auf hoher See. Die Theorie erklärt alle drei Formen der Extremwellen, die Seeleute beschreiben: "Weiße Wände" sind nach ihren Schaumkronen benannt, können bis zu zehn Kilometer breit werden und treten einzeln auf. "Kaventsmänner" breiten sich besonders schnell aus und zwar nicht in der Richtung des normalen Seegangs. Eine Gruppe von drei schnell aufeinander folgenden Wellen, getrennt von schmalen Tälern, wird als "die drei Schwestern" bezeichnet.

Wie kann man Schiffe vor den Monstern schützen?

Mit praktischen Erkenntnissen aus der Wellenforschung befassen sich Marco Klein und seine Kollegen unter der Leitung von Günther Clauss an der TU Berlin. Dort startet jetzt ein internationales Forschungsprojekt zur Frage, wie man Schiffe vor den Monsterwellen schützen kann. Ihr Seegangsbecken ist im Gegensatz zum Hamburger Modell 100 Meter lang, acht Meter breit und einen Meter tief – Monsterwellen werden dort immerhin im Maßstab 1 zu 70 simuliert, sind dann also 40 Zentimeter hoch.

Das Team verglich – zunächst ohne Schiffe – verschiedene theoretische Modelle, wie sich Wellen überlagern, mit der Realität. Wie die Hamburger Gruppe haben sie schon einzelne mathematische Gleichungen experimentell bestätigt. "Die Frage ist nun, ob sich mehrere Effekte auch überlagern", erklärt Klein. Eine vollständige Antwort auf die Frage der Entstehung der Monsterwellen erwartet der Forscher nicht im Seegangsbecken. "Da müsste man auf hoher See detaillierte Messungen machen. Bei den Versuchen im Becken geht es uns darum, einzelne Mechanismen detailliert untersuchen zu können."

Im kommenden Projekt werden sich Marco Klein und seine Kollegen auf Auswirkungen der Monster auf Schiffe konzentrieren – vom Luxusliner bis zum Chemietanker. Ihre maßstabsgetreuen Modelle sind außen mit Sensoren bestückt, die die Kräfte und Drücke aufzeichnen, wenn das Monster auf das Schiff trifft. Rauscht eine Welle über das Deck, misst eine Sonde die Höhe der Wassersäule. Weitere Geräte im Wasser zwischen Beckenrand und Modell bestimmen die Eigenschaften der Welle an bestimmten Punkten des Schiffs. Sogar von oben wird der Versuch genauestens dokumentiert: Auf einem fahrbaren Gestell an der Decke sind Infrarotkameras installiert, die die Gesamtbewegung aufnehmen.

Monsterwellen können schwere Schäden anrichten.
© DLR
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Monsterwellen können schwere Schäden anrichten. Diesen Frachter traf eine gewaltige Welle im Agulhasstrom östlich von Südafrika, wo der Indische Ozean auf den Atlantik stößt. In einem neuen Forschungsprojekt werden Schiffe untersucht, die im Labor auf Monsterwellen treffen – um die Richtlinien für den Schiffbau an solche Extremereignisse anzupassen.
So hoffen die Forscher herauszufinden, welche Wellen für Schiffe das größte Risiko darstellen. Sind es die höchsten, ist die Wellenlänge entscheidend oder werden erst mehrere aufeinander folgende Wellen richtig gefährlich? Antworten interessieren nicht zuletzt die Klassifikationsgesellschaften, die die Richtlinien im Schiffbau entwickeln und auch direkt am Projekt beteiligt sind. Je nach dem, wie die Ergebnisse ausfallen, werden sie die Vorschriften an die Extremsituationen anpassen: Schiffe könnten zukünftig zum Beispiel an bestimmten Stellen steifer oder dicker gebaut werden.

Frühwarnsysteme berechnen Wellen im Voraus

Dass es in naher Zukunft neben verbesserten Schiffen auch Frühwarnsysteme für Monsterwellen geben könnte, sei gar nicht so unrealistisch, so die Einschätzung der Forscher aus Berlin und Hamburg. "Oft würde es Kapitänen schon helfen, zehn Sekunden vor der Begegnung mit einer Monsterwelle gewarnt zu sein, um entsprechende Manöver einzuleiten", erklärt Hoffmann. "So kurz vor ihrer Entstehung gibt es schon gewisse Vorzeichen, die man mittlerweile gut bestimmen kann".

Marco Klein weiß, dass heutige Bordcomputer gefährliche Wellen in einer bestimmten Entfernung schon ganz gut vorausberechnen. "Sie basieren allerdings auf vereinfachten Rechnungen, und die Vorhersagen sind dementsprechend nicht auf den Meter genau. Aber für exaktere Rechnungen sind die heutigen Computer noch zu langsam. Und es würde natürlich keinen Sinn machen, wenn erst die Welle eintrifft und dann das Ergebnis der Berechnungen."