Anfang 2024 unternahm ein kleines Team von Studenten und Lehrkräften innerhalb des Polarkreises – Tausende von Meilen vom Campus der Naval Postgraduate School (NPS) in Monterey entfernt – eine wichtige wissenschaftliche Forschungsexpedition in Zusammenarbeit mit dem Undersea Warfighting Development Center. Arktisches U-Boot-Labor (ASL) bei der Biennale Operation Eiscamp.
Etwa 200 Seemeilen vom Festland entfernt in der Beaufortsee, auf einer 4 Fuß dicken Eisschicht in 12.000 Fuß Wassertiefe bei einer Lufttemperatur von bis zu -45 Grad Celsius, führte das vierköpfige Team des Studiengangs für Meteorologie und Ozeanografie (METOC) der Schule eine Reihe von Experimenten durch und sammelte dabei eine Fülle von Daten, die weiterhin unschätzbare Erkenntnisse zur Schallausbreitung über große Entfernungen unter, durch und über dem arktischen Eis liefern.
„Auf einer Skala von eins bis zehn würde ich es bei 11 einstufen“, sagte der pensionierte Navy-Kommandant John Joseph, außerordentlicher Forscher in der Abteilung für Ozeanografie des NPS, der die Expedition zusammen mit Dr. Ben Reeder, einem weiteren Professor für Ozeanografie, leitete.
„Wir konnten im Wesentlichen alle unsere wissenschaftlichen Ziele erreichen. Die von uns gesammelten Daten werden uns helfen, die Auswirkungen einer sich verändernden Arktis auf die U-Boot-Abwehr- und Aufklärungsmissionen (ASW) der Marine sowie die Aufklärungs- und Überwachungsmissionen (ISR) besser zu verstehen.“
Während des Transits in Prudhoe Bay, Alaska, freute sich das NPS-Team zudem über die Begegnung mit zwei angesehenen NPS-Alumni, die auf dem Weg waren, um die Abläufe im Ice Camp Whale zu beobachten: Marineminister Carlos Del Toro, Absolvent des Fachbereichs Space Systems Operations, und den Luft- und Raumfahrttechnik-Alumnus Sen. Mark Kelly (D-Arizona), Astronaut in der NASA Hall of Fame.
Die Forschungsbemühungen des NPS-Teams unterstützen direkt das Verteidigungsministerium Arktis-Strategie 2024das insbesondere die Verbesserung der ISR-Fähigkeiten im Luft- und Seebereich, die Weiterentwicklung von Analysen zur besseren Erfassung, Modellierung und Vorhersage sich ändernder Umweltbedingungen sowie eine verstärkte „Arktiskompetenz“ und Forschung fordert.
Als die Strategie veröffentlicht wurde, betonte Iris Ferguson, stellvertretende Verteidigungsministerin für Arktis und globale Widerstandsfähigkeit, wie wichtig es sei, über die richtige Sensorarchitektur zu verfügen.
„Wir müssen unsere Kenntnis der Gegebenheiten verbessern und unsere Fähigkeit verbessern, Bedrohungen für das Heimatland zu erkennen und gemeinsam mit unseren kanadischen Verbündeten darauf zu reagieren“, sagte sie. „Ein Schwerpunkt meines Büros ist die Förderung von Investitionen, die unser Bewusstsein für Bedrohungen in der Region schärfen.“
Die Arktis erstreckt sich von Maine und dem Nordatlantik über den Arktischen Ozean bis hin zur Beringstraße und Alaska im Nordpazifik und ist eine Region von strategischer geopolitischer und globaler Bedeutung.
Es beherbergt schätzungsweise 30 % der unentdeckten Gasreserven der Welt, 13 % der konventionellen Ölreserven und seltene Erden im Wert von 1 Billion Dollar. Obwohl es der kleinste Ozean unseres Planeten ist, hat es das Potenzial, fast 75 % der Erdbevölkerung zu verbinden.
Dies wird insbesondere in den kommenden Jahrzehnten der Fall sein, da das Meereis schnell schmilzt und die arktischen Gewässer zunehmend schiffbar werden – die die Marine in ihrem Bericht von 2021 als „Blaue Arktis“ bezeichnet hat. Strategischer Plan für die Arktis— schafft sowohl Herausforderungen als auch Chancen. Zu den größten Herausforderungen gehören die Bedrohungen durch die zunehmende maritime Aktivität durch Russland Und Chinadie ihre Marinen in Stellung bringen, um in der gesamten Region nationalistische Ziele zu verfolgen.
„Der Klimawandel unserer Welt bringt einen verbesserten Zugang zu Schifffahrtswegen mit sich, die normalerweise über lange Zeiträume zugefroren sind, sowie einen Zugang zu Unterwasserressourcen für weitere Erkundungen“, stellte Del Toro Anfang 2024 fest.
„Es ist zwingend erforderlich, dass wir bei unserem Vorgehen in der Arktis darauf achten, dass unsere gemeinsame Widerstandsfähigkeit in der Region im Mittelpunkt steht und wir unsere Fähigkeit bewahren, in einem umkämpften maritimen Gebiet frei zu manövrieren.“
Seit 1946 ist die Operation Ice Camp eine zentrale Säule der amerikanischen Rolle in der Arktis. Die zuvor als Ice Exercise (ICEX) bekannte dreiwöchige Veranstaltung wurde 2024 zu einer Operation ausgebaut, um die Prioritätensetzung der Marine in der Region besser widerzuspiegeln.
Ziel ist die Erforschung, Erprobung und Bewertung operativer Fähigkeiten in der Arktisregion, um eine verstärkte Präsenz in der Arktis aufrechtzuerhalten, Allianzen und Partnerschaften zu stärken und eine leistungsfähigere arktische Seestreitmacht aufzubauen.
ASL fungiert als federführende Organisation für die Koordinierung, Planung und Durchführung des Einsatzes.
An der Operation Ice Camp 2024, deren Zentrum das temporäre Kommandozentrum Ice Camp Whale war, waren über 200 Teilnehmer aus allen US-Streitkräften und den Streitkräften der Partnerländer beteiligt, darunter Vertreter der Royal Canadian Air Force, der Royal Canadian Navy, der französischen Marine, der britischen Royal Navy und der Royal Australian Navy.
„Ice Camp Whale bietet unseren Teams die Möglichkeit, ihre Forschungen in einer der rauesten und anspruchsvollsten Umgebungen der Welt durchzuführen“, sagte ASL-Direktor Howard Reese zum Start der Operation.
„Wir sind für die Entwicklung und Aufrechterhaltung des Fachwissens verantwortlich, das es der U-Boot-Streitmacht ermöglicht, in dieser einzigartigen Umgebung sicher und effektiv zu operieren. Wir sind in der Lage, das, was wir in dieser Umgebung lernen, auf reale Operationen anzuwenden.“
Joseph und Reeder nehmen seit 2016 an der Veranstaltung teil. Bei der letzten Veranstaltung im März 2024 wurden sie von zwei METOC-Studenten begleitet, Navy Lt. Cmdr. Colleen Wilmington und Lt. Cmdr. Taylor Hudson. Die Forschungsarbeit des Teams fließt direkt in ihre jeweiligen Abschlussarbeiten ein.
„Unser Ziel war es immer, dorthin zu gehen und zu verstehen, wie sich die Veränderungen in der Arktis auf U-Boot-Abwehroperationen auswirken“, sagte Joseph. „Unser Labor konzentriert sich hauptsächlich auf Unterwasserakustik.“
Im Jahr 2023 bauten sie ein Gerät, das sie als Kryophondas wie ein im Eis eingefrorenes Hydrophon funktioniert. Das Kryophon kann die Ausbreitung akustischer Wellen unter, durch und über dem Eis in drei Medien (Wasser, Eis und Luft) um 360 Grad erfassen.
„Im Grunde handelt es sich dabei um Beschleunigungsmesser, die an einer Platte befestigt sind, die dann in das Eis eingebettet und eingefroren wird, wodurch das Eis Teil des Systems wird“, erklärte Joseph. „Wir haben herausgefunden, dass sich Schall, der unter dem Eis übertragen wird, auch im Eis ausbreitet und von diesen Kryophonen auf dem Eis empfangen werden kann.“
Ein Kryophon auf dem Eis zu platzieren, habe mehrere Vorteile, bemerkte er.
Zusätzlich zu den Kommunikationsmöglichkeiten kann das Instrument Position, Standort und verschiedene Daten sammeln und verbreiten, die für die ASW- und ISR-Missionen der Marine von entscheidender Bedeutung sind. Die Kryophone können verwendet werden, um diese Informationen über Unterwasserschallquellen bereitzustellen, Flugzeuge zu identifizieren, die über ihnen fliegen, und sogar die Geräusche von Menschen zu hören, die über das Eis laufen.
Ein Großteil der Forschung des Teams in diesem Frühjahr war darauf ausgerichtet, die Fähigkeiten der Kryophone zu testen. Dabei untersuchten sie, wie sie das Instrument nutzen könnten, um Eigenschaften des Eises selbst akustisch abzuleiten – beispielsweise wie hart und dick es ist.
„Das sind nützliche Informationen für Operationen in der Arktis“, sagte Joseph. „Ein U-Boot, das an die Oberfläche kommt, möchte vielleicht etwas über das Eis darüber wissen.“
Die Arktis erlebt derzeit tiefgreifende Umweltveränderungen und wird dies auch in absehbarer Zukunft tun. Das genaue Verständnis dieser Veränderungen – insbesondere ihrer Auswirkungen auf die Schallausbreitung durch Wasser und Eis – ist für die Operationen der Marine in der Region von entscheidender Bedeutung.
Mit einem Gerät namens CTD (Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe) konnte das NPS-Team Temperatur- und Salzgehaltsänderungen in der Umgebung des Eislagers strategisch messen und verfolgen. Diese Parameter beeinflussen die Art und Weise, wie sich Schall durch den Ozean ausbreitet.
„Wir haben festgestellt, dass die größte Herausforderung dort oben die Auswirkungen eines Wasserschwalls sind, der durch die Beringstraße kommt; er ist besonders warm und salzig“, sagte Joseph. „Weil er warm ist, erhöht er die Schallgeschwindigkeit und weil er salzig ist, sinkt er unter die Oberflächenschicht.“
„Dabei wird dieser sehr starke unterirdische Kanal aufgebaut, der eine deutliche Veränderung der Schallausbreitung mit sich bringt“, fuhr er fort. „Das war für uns von großem Interesse.“
Für Wilmington und Hudson waren die vom Team gesammelten Daten eine wahre Goldgrube für ihre Thesen.
„Ich denke, es ist eine wirklich einmalige Gelegenheit, dorthin zu gehen und eigene Daten zu sammeln“, sagte Wilmington. „Die Menge an Daten, die wir in unseren fünf Tagen dort gesammelt haben, bietet mehr als genug Daten, um sie in den nächsten zehn Jahren zu analysieren!“
Für ihre Abschlussarbeit wird Wilmington die Daten nutzen, um sich auf die Nutzung der Akustik zur Bestimmung der Eigenschaften von Eis zu konzentrieren.
„Ich schaue mir die Eisdichte, die Biegefestigkeit des Eises und das tatsächliche Eisalter an und kann diese dann in Modellierungsprogramme einspeisen, um zu bestimmen, wie das Schmelzen des Eises aussehen wird. Außerdem informiere ich das National Ice Center, damit Schiffe – insbesondere Eisbrecher – den Weg des geringsten Widerstands nehmen können, auf dem das Eis am leichtesten gebrochen werden kann“, erklärte sie.
Darüber hinaus plant Wilmington, die Daten zu nutzen, um NPS zu verfeinern. Regionales Arktissystemmodell (RASM)ein Eismodell mit einer sechsmonatigen Prognose – das einzige Modell, das so weit im Voraus Prognosen erstellen kann.
„Ich werde die akustische Ausbreitung durch die X-, Y- und Z-Ebenen nutzen und sie mit Daten vergleichen, die durch Hydrophone und Mikrofone gesammelt wurden, und das dann mit dem RASM vergleichen, um zu sehen, ob wir es beweisen können“, fügte sie hinzu.
„RASM ist zwar schon seit vielen Jahren online, gilt aber per se immer noch als experimentelles Modell. Wenn ich anhand dieser Daten beweisen kann, dass RASM grundsätzlich richtig ist, dann kann es als operationelles Modell beworben werden.“
Da die Arktis zu einem umkämpften Gebiet wird, können mit diesen Informationen mehr Schiffe die Region sicher durchqueren. Die US-Küstenwache verfügt nur über eine begrenzte Anzahl an Eisbrechern. Wenn man also weiß und vorhersagen kann, wie dünneres Eis ist, das Überwasserschiffe mit Bugverstärkung ohne Eisbrechereskorte passieren können, würde das die Einsatzfähigkeit der USA in der Arktis erheblich verbessern.
„Wenn wir die Dicke und Dichte des Eises vorhersagen und Einheiten sicher durchbringen können oder zumindest wissen, wo wir unsere Eisbrecher stationieren, würde das unserem Handel und der Verkehrsfähigkeit unserer Schiffe zugutekommen“, sagte Wilmington.
Auch für Hudson war die Expedition ein Segen. In seiner Abschlussarbeit konzentriert sich Hudson auf die Verbesserung der Fähigkeiten der Kryophone für akustische Arbeiten über, unter und durch das Eis.
„Das war eine einmalige Gelegenheit“, sagte er.
„Wir konzentrieren uns auf den Schall über dem Eis, der mithilfe von taktilen Schallwandlern erfasst wird, und auch auf die Überwachung von Unterwassergeräuschen. Mit dem Kryophon wollen wir die Längs-, Scher- und Biegewellen des Schalls durch das Eis erfassen. Wenn wir alle drei sehen können, können wir die Menge an Ausrüstung, die wir tatsächlich benötigen, begrenzen.“
Zu diesem Zweck sammelte das Team drei Arten von Datenquellen, um die Kryophone zu testen: impulsive, wie das Geräusch einer implodierenden Glühbirne, wenn sie in die Tiefen des Ozeans sinkt; kohärente, wie Geräusche, die von taktilen Wandlern abgegeben werden; sowie mobile Quellen wie MK 39 – Verbrauchbare mobile U-Boot-Abwehr-Trainingsziele (EMATT).
Was Hudson an dieser Forschung reizt, ist ihr einsatzrelevanter Charakter. Als 27-jähriger Veteran der Marine, darunter auch als Matrose, ist er begeistert, an etwas mit so großem Potenzial zu arbeiten.
Theoretisch, sagte er, seien die Kryophone klein genug, um massenhaft von einem P-8A Poseidon Flugzeugtyp für schnelle Reaktion, der auf dem Eis landet und einschmilzt, um sofort mit dem Abhören unter dem Eis zu beginnen.
„Unsere Arbeit an den Kryophonen könnte möglicherweise zu einem tatsächlich nutzbaren Sensor führen, der eine ganze Plattform von P-8s zurück in den U-Jagd-Kampf in der Arktis bringen würde“, sagte Hudson. „Die Tatsache, dass wir tatsächlich an etwas arbeiten, das für die Marine wirklich einsatzrelevant ist, ist das, was mich begeistert.“
Angeboten von der Naval Postgraduate School