Szenen aus der Unterwasserwelt flimmern über den Monitor. Mal ziehen die silbrigen Körper eines Fischschwarms vorbei, dann wieder zeigt die Kamera die elegante Silhouette eines Schweinswals oder ein paar Robben auf der Jagd. Sämtliche Bilder aus dem Alltag der Nordseebewohner hat ein UFO eingefangen: keines aus dem All, sondern aus Hamburg und Kiel.

Seit Jahren tüftelt Joachim Gröger vom Hamburger Thünen-Institut für Seefischerei an diesem neuartigen "Unterwasser-Fisch-Observatorium", das mit modernster optischer und akustischer Sensortechnik durch die Fluten schaut. Für den Bau des Hightech-Spähers hat er die Kieler Firma MBT ins Boot geholt, den optischen und akustischen Herausforderungen widmen sich Wissenschaftler der Institute für Informatik und Kommunikationstechnik der Fachhochschule Kiel. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft hat das Projekt mit vier Millionen Euro gefördert. Und nach ersten Praxistests sind die Forscher optimistisch, dass sich diese Investitionen auszahlen werden. Denn mit Hilfe ihres UFOs hoffen sie, deutlich mehr über die Entwicklung von Fischbeständen herausfinden zu können als bisher.

Das ist für eine ganze Reihe von Fragestellungen interessant. Welchen Einfluss haben Schutzgebiete oder Windparks auf die Artenvielfalt? Verändert der Klimawandel die Fischgemeinschaften in der Nordsee? Und welche Fangquoten sind sinnvoll, um die einzelnen Arten nicht zu überfischen? Beantworten lässt sich das alles nur, wenn man langfristig beobachtet, welche Arten in welcher Häufigkeit in einem bestimmten Meeresgebiet vorkommen. "Bisher haben wir dazu vor allem zwei Informationsquellen", erklärt Joachim Gröger. Zum einen werten Wissenschaftler die Fangstatistiken der Fischereiflotten aus, zum anderen fahren sie mit Forschungsschiffen in interessante Gebiete und fangen selbst Stichproben der dortigen Fischfauna ein.

Nun kommt man mit einem Schiff aber keineswegs überall hin. Zu flache oder besonders geschützte Meeresgebiete müssen Fischereibiologen zum Beispiel oft ausklammern. Ganz abgesehen davon, dass Forschungsfahrten teuer sind und daher nicht beliebig oft wiederholt werden können. Was aber will man über die Fauna eines Gebiets aussagen, in dem man vielleicht eine halbe Stunde pro Jahr die Netze ausgeworfen hat? "Solche Probefänge können immer nur Schnappschüsse liefern", sagt Joachim Gröger. "Das UFO aber dreht einen ganzen Film." Schließlich kann der elektronische Meeresdetektiv monate- oder sogar jahrelang am Ort des Geschehens bleiben. Da bringt jeder Tag neue Informationen, langfristige Trends können leichter erkannt werden. Und das Ganze ist nicht nur effektiver und günstiger als die Forschungsfänge, es kommt dabei auch kein Fisch ums Leben.

Hören und Sehen

An seinem Einsatzort steht der etwa zwei mal zwei Meter große Unterwasserspäher auf dem Meeresboden, Spezialfüße an seinen drei Beinen verankern ihn im Untergrund und verhindern ein Einsinken. Dank seines beachtlichen Gewichts von rund 600 Kilogramm kann er auch in der Strömung seine Position halten und seine Umgebung akustisch und optisch überwachen.

Sein Sonarsystem sendet dazu Schallsignale aus, wie man sie auch von ortenden U-Booten kennt. Solche Ping-Signale werden von allen Hindernissen reflektiert, die eine andere Dichte als Wasser haben – egal, ob es sich dabei um einen Felsen, ein Schiff oder einen Wal handelt. Das System analysiert diese Echos und erstellt daraus akustische Aufnahmen, die so genannten Echogramme. Darauf können die Forscher sämtliche größeren Lebewesen erkennen, die in einer Entfernung von bis zu 200 Metern vorbeischwimmen – und zwar nicht nur als diffuse Flecken. Denn während sich die sonst in der Fischerei üblichen Sonare mit Frequenzen zwischen 80 und 200 Kilohertz begnügen, arbeitet das Sonar des UFOs mit 900 Kilohertz. Das ermöglicht eine sehr hohe Auflösung, so dass sich schon auf den Echogrammen Fische von Schweinswalen oder Robben unterscheiden lassen. Und man erkennt auch, ob es sich um kleine oder große Fische handelt.

Das Unterwasserobservatorium UFO
© Joachim Gröger, Thünen-Institut für Seefischerei
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernDas Unterwasserobservatorium UFO
Das Unterwasserobservatorium UFO kurz vor dem Einsatz. Es kann mit modernster optischer und akustischer Sensortechnik die Meeresfauna live unter die Lupe nehmen und Meeresforscher dadurch deutlich exakter über die Welt unter Wasser informieren.

Verschnitten werden diese akustischen Aufnahmen dann noch mit den Bildern einer Stereokamera. Allerdings ist das Filmen unter Wasser wegen der schlechten Sichtverhältnisse eine echte Herausforderung – vor allem in größeren Tiefen. Im Zuge der UFO-Entwicklung haben die Forscher daher erst einmal getestet, welche Kameras bei den schummrigen Verhältnissen unter der Meeresoberfläche überhaupt passable Bilder liefern können. Modelle, die ihre Umgebung mit einer eigenen Lichtquelle ausleuchten, kamen dabei nicht in Frage. "Deren Effekt ist ähnlich, wie wenn man in einem Schneesturm die Autoscheinwerfer aufblendet", erklärt Joachim Gröger. Im einen Fall reflektieren die Schneeflocken das Licht, im anderen das Plankton und die Schwebstoffe im Wasser. Zu sehen ist jeweils nichts als ein undurchdringliches Gewirbel.

Also haben sich die Forscher für ein Modell entschieden, das nur mit dem wenigen Restlicht im Meer auskommt. "Diese Kamera ist so empfindlich, dass sie in einem stockdunklen Raum eine Leiter erkennen kann, die in zehn Metern Entfernung an der Wand lehnt", berichtet der Wissenschaftler. Da ist die Technik dem menschlichen Auge deutlich überlegen. Trotzdem reicht der Blick der Kamera unter Wasser längst nicht so weit wie der des Sonars. Deshalb zeigt sie einen deutlich kleineren Ausschnitt aus der Umgebung des UFOs – den aber sehr detailliert und in 3-D.

Durch die Kombination von optischen und akustischen Daten lässt sich zum einen die Größe und die Entfernung der einzelnen Wasserbewohner bestimmen. Dank des dreidimensionalen Blicks kann das System zudem erkennen, ob es sich tatsächlich nur um einen einzelnen Fisch handelt oder ob dahinter noch ein zweiter schwimmt. Das Sonar erfasst, wie viele Tiere sich insgesamt in seinem Sichtfeld aufhalten, wie schnell sie sich bewegen und in welche Richtung sie unterwegs sind. Und anhand der Kamerabilder kann das UFO sogar automatisch die einzelnen Fischarten unterscheiden.

Dazu nutzt es eine Mustererkennungssoftware, wie sie zum Beispiel auch in der Kriminalistik zum Unterscheiden von Gesichtern zum Einsatz kommt. "Diese lernt in einer langen Trainingsphase, in welchen optischen Details sich Fischart A von Fischart B oder C unterscheidet", erläutert Joachim Gröger. Wenn das System diese Kategorisierung beherrscht, müssen die Forscher nur noch jeder Schublade den richtigen Namen zuordnen – und schon ist aus Art A ein Hering geworden und aus Art B ein Kabeljau.

Aus all den gesammelten Daten gewinnt der Meereswächter also einen Überblick darüber, welche Fischarten wie häufig in seiner Umgebung vorkommen. Aus der von der Kamera erfassten Fläche der einzelnen Tiere kann er zudem ihr Alter und Gewicht berechnen. Oder er bestimmt das Gesamtgewicht, das alle Angehörigen einer Art zusammen auf die Waage bringen. Wer diese so genannte Biomasse über längere Zeit erfasst, kann Fischpopulationen beim Wachsen oder Schrumpfen beobachten. "Daraus kann man dann zum Beispiel ableiten, welche Fangquoten die einzelnen Bestände vertragen", sagt Joachim Gröger.

Praxistest in der Nordsee

Wie gut das alles in der Praxis klappt, haben er und seine Mitstreiter in der Nordsee getestet. Ende September 2014 haben sie ihr UFO per Glasfaserkabel an die Stromversorgung und die Datenspeicher der Windpark-Forschungsplattform FINO 3 angeschlossen, die etwa 70 Kilometer nordwestlich von Sylt liegt. Mit den rauen und oft stürmischen Bedingungen dort draußen ist das Gerät gut zurechtgekommen, weder der Edelstahlrahmen noch die Instrumente haben gelitten. Einziges Problem war das Kabel, das offenbar beim Ausbringen geknickt und dadurch beschädigt wurde. Winzige Kurzschlüsse in seinem Inneren haben dann wohl zu einem Ausfall des Scheibenwischers geführt, der die Kameraoptik von Algen und anderem Bewuchs freihalten sollte. "Um das zu verhindern, werden wir in Zukunft ein Kunststoffkabel verwenden", erklärt Joachim Gröger.

Echogramm des UFOs
© Joachim Gröger, Thünen-Institut
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernEchogramm des UFOs
Das Bild zeigt einen Angriff zweier Schweinswale (gelber Ring) auf einen Fischschwarm, der sich – um dem Angriff zu entgehen – mit großer Schnelligkeit zusammenzieht (weiße Ringe).

Ansonsten aber ist er mit der Leistung des UFOs hochzufrieden. Vor allem die Qualität der Echogramme und Videos begeistert ihn immer wieder. Aus etwa 20 Meter Tiefe hat das System nämlich nicht nur extrem klare Bilder von Fischen, Schweinswalen und Robben geliefert. Auf den Bildern des Sonars sind selbst die Kalkschnäbel von Tintenfischen zu erkennen. Und die Kamera hat sogar Quallen erfasst, die zu 99 Prozent aus Wasser bestehen. "Optisch konnten wir alle schwimmenden Tiere ab einer Größe von drei bis vier Zentimetern erkennen, akustisch immerhin alle ab sieben Zentimetern", resümiert der Forscher. Je näher die Tiere am UFO vorbeischwimmen, umso besser klappt das.

Die Bestandsaufnahme bei FINO 3 hat dann auch gleich ein paar interessante Überraschungen gebracht. Zum Vergleich hatten die Wissenschaftler dort nämlich auch Netze ausgeworfen – und waren enttäuscht über die mageren Fänge gewesen. Stand das UFO überhaupt an einer Stelle, an der es seine Stärken unter Beweis stellen konnte? Oder hatte man es aus Versehen in einer weitgehend fischfreien Unterwasserwüste ausgesetzt?

Alle Zweifel schwanden, als der Fischwächter seine Daten lieferte. Denn die akustischen und optischen Aufnahmen zeigten viel mehr Tiere als erwartet, darunter auch Arten, die in den Probefängen gar nicht aufgetaucht waren. "Woran das genau liegt, wissen wir noch nicht", sagt Joachim Gröger. Möglicherweise sind manche Arten wie etwa die schnellen Makrelen einfach besonders geschickt darin, dem Netz auszuweichen. Kleine Fische können zudem durch die Maschen schlüpfen, so dass sie nicht in den Stichproben auftauchen. Dem UFO aber entgehen auch diese schwierigen Kandidaten nicht. Auf seinen Echogrammen konnten die Forscher sogar beobachten, wie sich Fischschwärme bilden und wie sie sich bei Gefahr in Sekundenbruchteilen zusammenziehen – zur Verwirrung der angreifenden Schweinswale. "Auch Verhaltensstudien sind also möglich", freut sich Gröger.

Die UFOs der Zukunft

Trotzdem ist das System noch nicht perfekt. Zwar hat die optische Mustererkennung schon sehr gute Ergebnisse geliefert, durch weitere Trainingseinheiten soll sie sich aber noch verbessern. Dazu haben die UFO-Konstrukteure ihr Gerät nun von FINO 3 in die Kieler Förde verlegt. Vor der Haustür der Fachhochschule Kiel können sie es schließlich mit viel weniger Aufwand betreuen als auf hoher See. Ziel ist es nun, dem Meeresdetektiv einen selektiven Blick auf seine Umwelt beizubringen.

Vor die Linse geschwommen
© Joachim Gröger, Thünen-Institut
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernVor die Linse geschwommen
Eine Reihe von Tieren, die mit Hilfe des Unterwasserspähers aufgenommen wurden: Schweinswale, Delfine, Robben, Quallen, Tintenfische, Fische.

Bisher nimmt er noch alle Lebewesen auf, die an ihm vorbeischwimmen. Künftig aber soll er anhand des Ping-Signals des Sonars erst einmal prüfen, ob es sich überhaupt um einen Fisch handelt. Nur dann soll er den Rest der Sensoren anschalten und eine kurze Videosequenz aufzeichnen. Das spart zum einen Energie und zum anderen Speicherplatz. Die deutlich verringerten Datenmengen müssen dann nicht mehr wie bisher auf riesigen Festplatten gespeichert werden, die alle zwei Wochen ausgetauscht werden müssen. Stattdessen sollen sie per Internet oder Satellit direkt auf den Computern der Forscher landen.

An solchen Informationen aus der Unterwasserwelt haben allerdings nicht nur Fischereibiologen Interesse. Das Umweltministerium von Schleswig-Holstein hat beim UFO-Team bereits angefragt, ob sich das System auch für die Beobachtung von Schweinswalen in der Flensburger Förde und vor Fehmarn eignet. Eine entsprechende Projektskizze hat Gröger schon in der Schublade. "Wegen der geringeren Wassertiefen braucht dieses Spezial-UFO einen flacheren Rahmen und ein anderes Sonar, zudem muss die Software für die Mustererkennung neu trainiert werden", erklärt der Forscher. Dann aber soll der "WalOMat" sogar einen Schweinswal vom anderen unterscheiden können. Er soll Bestandsaufnahmen in besonderen Lebensräumen liefern. Und auch eine Art Frühwarnsystem ist möglich.

So haben sich die Fischer in der Schweinswal-Kinderstube vor Fehmarn zwar freiwillig verpflichtet, die Zahl und Länge der Stellnetze zu reduzieren, wenn die Meeressäuger im Frühjahr dort eintreffen. Das soll verhindern, dass sich die Tiere in den Maschen verheddern und ertrinken. Allerdings erfahren die Fischer bisher oft zu spät, wann die Schweinswale tatsächlich im Anmarsch sind. Der WalOMat aber wird genau beobachten können, wann die Wassertemperaturen steigen und das Plankton zunimmt, wann daraufhin die Planktonfresser unter den Fischen auftauchen und wann schließlich die Schweinswale kommen, die den Fischschwärmen folgen. Vielleicht lässt sich das Beifangproblem so zumindest abmildern, hoffen die Forscher.

Die Fischerei kann allerdings nicht nur für Schweinswale zur Gefahr werden, sondern auch für UFOs. "Man kann so ein Gerät nur dort aufstellen, wo nicht intensiv gefischt wird", sagt Gröger. Windparks oder Schutzgebiete sind daher gute Standorte. In vielen anderen Regionen aber ziehen Fischer zu oft ihre Netze über den Meeresgrund. Da landet der Hightech-Späher zu leicht in den Maschen und wird beschädigt. Das Team in Hamburg und Kiel hat schon eine Idee, wie man dieses Problem lösen könnte: mit einem mobilen UFO.

Statt bewegungslos auf dem Boden zu stehen, soll sich ein torpedoförmiger Meeresbeobachter künftig selbstständig durchs Wasser bewegen und dabei Hindernissen wie Schiffen und Netzen, Felsen oder den Fundamenten von Windrädern ausweichen. Einfach wird das nicht. So braucht der wandernde Wächter eine eigene Batterie, die mindestens ein paar Tage lang Strom liefert. Dann muss er selbstständig eine Steckdose aufsuchen und sie wieder aufladen können. Und auch die Orientierung und das Erkennen von Hindernissen wird das System vor einige Herausforderungen stellen. Langweilig dürfte es den UFO-Tüftlern aus Hamburg und Kiel in den nächsten Jahren also nicht werden.