Das Reich der Ozeane ist für die meisten Menschen ein geheimnisvoller blauer Abgrund, in dem Kommunikation und Technologietransfer auf eine ganz besondere Weise stattfinden müssen. Während wir an Land problemlos über Funk, Telefon oder Internet miteinander sprechen können, stellen die physikalischen Eigenschaften des Wassers eine enorme Herausforderung für die Übertragung von Informationen dar. Die Technologie zur Unterwasserkommunikation hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht – von einfachen akustischen Signalen bis zu ausgeklügelten Systemen wie den Unterwasser Akustischen Reconfigurable Intelligenten Oberflächen (UA-RIS). Mit der wachsenden Bedeutung von Tiefsee-Forschung, militärischen Unterwasseroperationen und kommerzieller Meeresnutzung sind zuverlässige Kommunikationsmethoden unter Wasser unverzichtbar geworden. Industrie-Riesen wie Sennheiser und Fraunhofer, Innovationstreiber wie Evologics und Hydroakustik GmbH, aber auch Entwickler wie Bosch und Heinzmann tragen entscheidend zu dieser Hightech-Revolution unter der Wasseroberfläche bei. In diesem Artikel wird die faszinierende Entwicklung und Funktionsweise der Unterwasserkommunikationstechnologien detailliert beschrieben und erläutert, wie moderne Systeme Daten, Sprache und Steuerbefehle über große Distanzen in der dunklen und tiefen Meereswelt übertragen.
Akustische Kommunikation: Wie Schallwellen die Unterwasserkommunikation dominieren
Unter Wasser stellt die Kommunikation vor allem eine Herausforderung durch die physikalischen Eigenschaften des Mediums dar. Funk- und Lichtwellen breiten sich nur sehr begrenzt aus und werden bereits nach wenigen Metern stark absorbiert, insbesondere in Salzwasser. Deshalb nutzt die Unterwasserkommunikation überwiegend Schallwellen, die in Wasser schneller und weiter reisen als in Luft. Diese akustischen Signale sind die Grundlage für die meisten Kommunikationssysteme von Tauchern bis hin zu U-Booten.
Die Vorteile der Schallkommunikation liegen in der großen Reichweite und Zuverlässigkeit über mittlere Distanzen sowie im geringeren Energiebedarf. Schallwellen breiten sich unter Wasser mit einer Geschwindigkeit von rund 1500 Metern pro Sekunde aus, deutlich schneller als Luft, und können dabei ohne Sichtkontakt Informationen über mehrere Kilometer übertragen. Die Technik verwendet vornehmlich hochfrequente Ultraschallsignale, um Sprache und Daten zu übertragen. Zum Beispiel nutzen professionelle Taucherfunkgeräte von Herstellern wie Sennheiser und Telefunken hochentwickelte Ultraschallmodule, die direkte Kommunikation erlauben, ohne dass Luftblasen oder Störsignale die Verständlichkeit beeinträchtigen.
Allerdings gibt es auch Einschränkungen:
- Absorption und Dämpfung: Schall verliert an Intensität mit der Entfernung, was die nutzbare Reichweite limitiert.
- Multipfad- und Streueffekte: Schallwellen werden an Meeresboden, Wasseroberfläche oder Unterwasserhindernissen reflektiert, was zur Verzerrung und Störung des Signals führt.
- Umweltabhängigkeit: Temperatur, Salzgehalt und Druck beeinflussen die Schallgeschwindigkeit und damit das Kommunikationsverhalten.
Die Forscher setzen daher auf komplexe Modulationsverfahren sowie adaptive Signalverarbeitung, um Störungen zu minimieren und die Datenübertragung zu optimieren. Ein Beispiel hierfür ist das von Fraunhofer entwickelte Unterwasser-Kommunikationssystem, das Geräusche filtern und stabilere Verbindungen realisieren kann. Auch Unternehmen wie Evologics arbeiten an innovativen Unterwassermodems, die sich von Delfinolauten inspirieren lassen und gezielt akustische Signale an das jeweilige Umfeld anpassen.
Die folgende Tabelle zeigt typische Eigenschaften akustischer Unterwasserkommunikationssysteme:
| Eigenschaft | Beschreibung |
|---|---|
| Reichweite | Bis zu mehreren Kilometern bei hohen Frequenzen und optimalen Bedingungen |
| Übertragungsrate | Typischerweise 10 kbit/s – Limitierung durch Dämpfung |
| Modulation | Diversifizierte Verfahren wie IQ-Modulation zur Steuerung von Phase und Amplitude |
| Störanfälligkeit | Umweltabhängig, insbesondere durch Schallreflexionen und Geräuschkulisse |
Akustische Kommunikation bildet somit das Rückgrat der Unterwassertechnologie, sei es bei der Datenübertragung für autonome Unterwasserfahrzeuge, bei Tiefseeforschungsmissionen oder beim militärischen Einsatz.
Elektromagnetische Signale und die Grenzen von Funk unter Wasser
Anders als in der Luft haben elektromagnetische Funkwellen unter Wasser drastisch eingeschränkte Reichweiten. Das liegt an der hohen Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeit des Wassers, die Funkwellen sehr schnell absorbieren. Vor allem Salzwasser hemmt die Ausbreitung stark, sodass Funkkommunikation normalerweise nur über wenige Meter funktioniert.
Die Auswirkungen sind gravierend:
- Signaldämpfung: Funkwellen verlieren exponentiell an Stärke mit der Distanz.
- Frequenzabhängigkeit: Niedrigfrequente Wellen dringen etwas tiefer, bieten aber wenig Bandbreite und somit geringe Datenraten.
- Praktische Nutzung: Funk wird hauptsächlich für sehr kurze Reichweiten oder als Zusatztechnik an der Wasseroberfläche eingesetzt, beispielsweise von U-Booten, wenn sie auftauchen und GPS- oder Satellitensignale empfangen.
Die Firma Bosch forscht zusammen mit Partnern daran, spezielle Antennenkonzepte für Unterwasserfunk zu entwickeln. Trotz aller Fortschritte ist Videostreaming unter Wasser derzeit jedoch nicht realistisch und wird erst durch noch nicht serienreife Technologien wie die Kombination aus Millimeterwellen und akustischer Oberflächenmodulation möglich werden. Das zeigt, wie fundamental verschiedene physikalische Gesetze sind und warum die Natur beispielsweise auf Schall statt auf elektromagnetische Wellen setzt.
Auch bei der Navigation unter Wasser sind elektromagnetische Signale stark limitiert. U-Boote nutzen deshalb meist inertiale Navigationssysteme, unterstützt durch gelegentliche GPS-Signale an der Wasseroberfläche. Moderne Systeme wie das Posydon-Navigationssystem vom US-Militär experimentieren mit hybriden Verfahren, die akustische Signale und andere Sensoren kombinieren, um die Ortung und Steuerung zu verbessern.
| Technologie | Reichweite | Datenrate | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Elektromagnetische Funkwellen | Bis wenige Meter | Sehr gering | Oberflächenkommunikation, Notfälle |
| Akustische Ultraschallwellen | Bis einige Kilometer | Mittel bis hoch | Sprache, Datenübertragung, U-Boot-Kommunikation |
| Optische Systeme (Lasersignale) | Bis einige hundert Meter | Hoch | Kurzstrecken, schnelle Datenübertragung |
Insgesamt bleibt Funk unter Wasser wegen den physikalischen Eigenschaften des Meerwassers ein eingeschränktes Mittel der Kommunikation, weshalb die Zukunft vor allem in der Optimierung akustischer Verfahren liegt.
Sprechfunk und direkte Kommunikationsgeräte für Taucher und Unterwasserfahrzeuge
Taucher und Unterwasserfahrzeuge benötigen eine möglichst einfache und zuverlässige Kommunikation, die in einer rauen und dynamischen Umgebung funktioniert. Hier kommen spezialisierte Sprechfunkgeräte ins Spiel, die auf akustische Signalübertragung setzen. Hersteller wie Sennheiser oder Funke entwickeln kompakte Module, die an Taucherausrüstungen angebaut werden und es ermöglichen, selbst bei Bewegung oder größerer Distanz klare Sprachkommunikation herzustellen.
Typischerweise verwenden solche Systeme Ultraschall, um Sprache über einige zehn Meter zu übertragen. Die Tonqualität bleibt dabei häufig metallisch verzerrt, doch die wichtigsten Kommandos – wie „Aufsteigen“, „Links drehen“ oder „Flosse überprüfen“ – sind klar verständlich. In der Praxis wird die Kommunikationsreichweite jedoch durch:
- Wasserbedingungen (Salzgehalt, Temperatur)
- Umgebungsgeräusche (z.B. Motorenlärm von U-Booten und Schiffen)
- Störungen durch Reflexionen und Streuung
geprägt, was das Kommunikationsnetz begrenzt. Trotzdem bietet diese Technologie entscheidende Vorteile für Sicherheit und Koordination in der Unterwasserwelt.
Ein Beispiel aus 2023 beschreibt einen Tauchkurs auf Koh Tao, bei dem Taucher erstmals mit solchen Kommunikationsgeräten arbeiteten. Die Erfahrung zeigte die faszinierende Technik, aber auch die Grenzen in puncto Reichweite und Qualität. Die ständige Arbeit an verbesserten Algorithmen und Hardwaresystemen ist Voraussetzung, um die Verständlichkeit in Zukunft weiter zu erhöhen.
Solche Sprechfunksysteme sind mittlerweile auch für den kommerziellen Einsatz interessant, etwa in der Unterwasser-Archäologie, bei der Öl- und Gasgewinnung oder der maritimen Forschung, die zügigen und direkten Informationsaustausch benötigen.
Innovative Technologien: UA-RIS und optische Systeme revolutionieren die Unterwasserkommunikation
Ein Meilenstein in der Entwicklung der Unterwasserkommunikation sind die sogenannten Unterwasser Akustischen Reconfigurable Intelligenten Oberflächen (UA-RIS). Diese Technologie wurde von Wissenschaftlern der Fraunhofer-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Partnerunternehmen wie Hydroakustik GmbH erforscht und verspricht, die Richtung und Stärke von Schallwellen präzise zu steuern. Sie funktionieren ähnlich wie ein Array von Spiegeln, die den Schall gezielt lenken und dadurch die Reichweite und Datenrate erheblich erhöhen.
Die Funktionsweise beruht auf der IQ-Modulation (In-Phase und Quadratur), die es erlaubt, Amplitude und Phase der reflektierten Wellen genau anzupassen. Dadurch können Störsignale minimiert und die Signalqualität an Empfänger sowie Sender massiv verbessert werden.
Vorteile der UA-RIS-Technologie:
- Erhöhung der Reichweite: Bis zu 66% Verlängerung der Kommunikationsdistanz, besonders in tiefem Wasser
- Verbesserte Datenrate: Steigerung der Übertragungsraten um durchschnittlich 63,8%, in Spitzenfällen sogar bis 163%
- Reduzierung der Lärmbelastung: Schall wird nur gezielt in gewünschte Richtungen gelenkt, was Meeressäuger wie Delfine schont
- Umweltfreundlichkeit: Einsparung von Energie durch zielgenaue Steuerung der Schallwellen
Die Technologie wurde in umfangreichen Tests in Tanks und Seen erprobt und bestätigt ihre herausragende Leistungsfähigkeit unter Realbedingungen. Eines der größeren Einsatzszenarien ist die Verbesserung der Kommunikation zwischen autonomen U-Booten und der Überwachung vermisster U-Boote – ein kritischer Faktor im militärischen und Forschungskontext.
Zusätzlich experimentieren Unternehmen wie DeLaval und Wassermann mit optischen Kommunikationssystemen, die auf Laserstrahlen basieren. Diese bieten extrem hohe Datenraten für kurze Distanzen, sind jedoch auf klare Sichtverbindungen angewiesen und werden vor allem in der Forschung und beim Einsatz von Tauchrobotern genutzt.
Herausforderungen und die Zukunft der Unterwasserkommunikation
Die Kommunikation unter Wasser gestaltet sich auch in der hochtechnologischen Dekade 2025 weiterhin als komplexe Herausforderung. Das Wasser selbst ist ein anspruchsvolles Medium – es absorbiert nicht nur Signale, sondern beeinflusst sie durch Temperatur, Salzgehalt und Druck in vielfältiger Weise. Die Forschung konzentriert sich darauf, diese Umweltfaktoren besser zu verstehen und gezielt zu kompensieren.
Wichtige Forschungsfelder und Herausforderungen:
- Signaloptimierung: Verbesserung der Algorithmen zur Verstärkung von Signalqualität trotz Signalverluste und Störungen
- Integration verschiedener Technologien: Kombination von akustischen, optischen und elektromagnetischen Methoden für eine stabile und vielseitige Kommunikation
- Umweltschutz: Minimierung negativer Auswirkungen auf die marine Fauna und Flora durch intelligente Schalllenkung und reduzierte Lautstärken
- Miniaturisierung und Energieeffizienz: Entwicklung kleinerer, langlebiger Kommunikationsmodule für autonome Fahrzeuge und Taucher
- Realzeitübertragung großer Datenmengen: Beispielhaft für das Videostreaming oder umfangreiche Sensorsignale unter Wasser
Eine Schlüsselrolle spielen dabei Unternehmen wie Bosch mit ihren innovativen Sensor- und Antennentechnologien sowie Funke und Telefunken im Bereich der professionellen Unterwasserkommunikation. Auch Start-ups und Forschungsinstitute treiben durch Entwicklungen wie Evologics mit bioinspirierten Modems die Technologie weiter voran.
Nach wie vor bleibt die Exploration der bisherigen Grenzen fundamental. U-Boote und autonome Unterwasserfahrzeuge werden zunehmend vernetzt, um Operationen sicherer und effizienter zu gestalten. Das Zusammenspiel mehrerer Technologien, wie es etwa im US-amerikanischen System Posydon angedacht ist, könnte eine Blaupause für kommende Jahre sein.
Tableau comparateur – Kommunikation unter Wasser
| Technologie | Reichweite | Datenrate | Vorteile |
|---|
