Hochdruckvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckvorrichtung zur Erzeugung eines hydrostatischen Druckes, insbesondere eines Wasserdruckes, wie er in der Tiefsee herrscht, und im besonderen ein kontinentales Tiefseeaquarium. Die Erfindung betrifft des Weiteren Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer derartigen Hochdruckvorrichtung.
Die Tiefsee (Ozeanbereich mit einer Tiefe unterhalb von
300 m, insbesondere unterhalb von 500 m) ist einer der am we- nigsten untersuchten Bereiche der Erde. In einer Wassertiefe von mehr als 300 m entstehen bereits Schwierigkeiten für die Untersuchung, da diese Tiefe vom Menschen in einfacher Tauchkleidung und mit Gasflaschenversorgung nicht oder nur kurzzeitig erreicht werden kann und kaum von Tageslicht beleuch- tet wird. Die Ozeane haben jedoch mit im Mittel rd. 3000 m eine wesentliche größere Tiefe. Um in die Tiefsee vorzudringen, sind daher druckstabile Tauchfahrzeuge erforderlich.
Die Anwendung der Tauchfahrzeuge ist auf die kurzzeitige Beo- bachtung z. B. von Tiefseeorganismen, die Bildaufnahme und die Aufnahme kleiner Proben beschränkt. Bisher ist es jedoch nicht möglich, Tiefseeorganismen unter ihren natürlichen Lebensbedingungen dauerhaft zu untersuchen oder gar zu kultivieren. Bisher konnten praktisch keine höheren Organismen der Tiefsee lebend in eine Umgebung mit vermindertem oder insbesondere atmosphärischem Druck überführt werden, da sich die Organismen nicht ausreichend an oberflächennahe Meeresbedingungen adaptieren können. Des Weiteren ist davon auszugehen, dass biologische Makromoleküle bei Tiefen unter 8000 m andere
optimale Konformationszustände haben als bei Oberflächenwasserdruck, so dass aus physiologischer Sicht prinzipielle An- passungs- und Überlebensschwierigkeiten für Tiefseeorganismen bestehen.
Eine systematische Untersuchung des biologischen Lebens in der Tiefsee kann ohne eine lückenlose Lebendbeobachtung und Kultivierung oder Lebendhaltung jedoch nicht erreicht werden. Bisher ist das Wissen über das biologische Leben in der Tief- see beschränkt, da keine marinen Labore mit großräumiger Einstellung von Lebensbedingungen der Tiefsee zur Verfügung stehen. Dies ist als eine ungelöste Aufgabe und Voraussetzung für eine detaillierte Charakterisierung von Tiefseeorganismen anzusehen.
Die Installation eines Labors in einem ausreichend tiefen Bereich des freien Ozeans ist bisher aufgrund von praktischen Problemen nicht erreicht worden. Ein Labor könnte nur von der Oberfläche her aufgebaut (z. B. zusammengesetzt werden), was den Einsatz von Spezialschiffen erfordert und extrem teuer ist. Mit steigender Tiefe bereiten das Gewicht und die Stabilität erhebliche Probleme. Auch die Begehung würde ein Problem darstellen, da die Wassersäule in einer technischen Zuführung oder über Transportvehikel (U-Boote) begangen werden muss. Das System müsste für eine Begehbarkeit nach dem Zusammenbau entwässert oder bereits luftgefüllt in die Tiefe verbracht werden. Spätere Korrekturen, Erweiterungen und Einbauten wären technisch extrem aufwändig. Das System wäre wetterabhängig und könnte nicht ohne schwimmende Plattform, mit sehr präziser Ortskonstanz betrieben werden. Schließlich wäre man auf Bereiche der Tiefsee angewiesen, d.h. ein logistisch günstiger Betrieb nahe der Küste wäre nur in sehr wenigen, geologisch günstigen Fällen möglich.
Aus der Praxis ist bekannt, dass zum Beispiel in einem Tierpark ein Aquarium, in dem Pflanzen, Fische und andere Organismen in einem Wasserbehälter leben, gelegentlich als Tiefseeaquarium bezeichnet werden. Diese Bezeichnung dient jedoch lediglich Werbezwecken. Der Wasserbehälter hat typischerweise nur eine Tiefe von rund 20 m und ist daher ungeeignet, die Lebensbedingungen der realen Tiefsee nachzubilden.
Die Erzeugung hoher Drucke, wie sie in der Tiefsee herrschen, ist nicht nur für biologische Untersuchungen, sondern auch für nicht-biologische Verfahren von Interesse, z. B. für Materialtests .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Hochdruckvorrichtung zur Erzeugung eines hohen hydrostatischen Druckes bereitzustellen, mit der den Problemen im Stand der Technik begegnet werden kann. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer derartigen Hochdruckvorrich- tung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit einer Hochdruckvorrichtung, einem Hochdruck-Schacht, insbesondere Bergwerkschacht und Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vor- teilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Hochdruckvorrichtung gelöst, die mindestens einen Schacht in der festen Erdkruste und in dem mindestens einen Schacht eine stabile Druckeinrichtung umfasst. Vorteilhafterweise wird der Schacht als stabiler Behälter bereitgestellt, der zur Aufnahme mindestens einer Wassersäule eingerichtet ist. Die Tiefe des Schachtes und damit die Länge der
Wassersäule, die im Schacht gebildet werden kann, sind so wählbar, dass im Schacht Bedingungen, insbesondere Druck- und Lichtbedingungen wie in der Tiefsee bereitgestellt werden können. Die Druckeinrichtung (oder: Normaldruckeinrichtung), die im Schacht fixiert oder beweglich angeordnet sein kann, weist einen inneren Druckraum auf, der gegen einen äußeren hydrostatischen Umgebungsdruck druckstabil ist. Der innere Druckraum weist mindestens einen freien, gasgefüllten Hohlraum auf. Die Druckeinrichtung ist insbesondere dazu einge- richtet, dass der innere Druckraum mit einem atmosphärischen Innendruck gegen einen äußeren hydrostatischen Umgebungsdruck von mindestens 100 bar druckstabil ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die Druckeinrichtung einen Zugriff, z. B. für Beo- bachtungs- oder Manipulationszwecke, auf alle interessieren- den Bereichen des Schachtes und eine Einstellung von Umgebungsbedingungen, wie z. B. der Temperatur, der Beleuchtung, dem Salzgehalt und den Strömungsverhältnissen im Schacht.
Durch die Kombination des Schachtes in der Erdkruste mit der Druckeinrichtung können vorteilhafterweise die oben genannten Probleme überwunden werden, welche die Installation eines Labors in einem ausreichend tiefen Bereich des freien Ozeans bisher behindert haben. Beispielsweise kann die Druckeinrichtung von der Oberfläche der Erdkruste her problemlos in den noch leeren Schacht eingebaut oder im geleerten Schacht variabel umgebaut werden. Die Druckeinrichtung kann auch bei großen Tiefen stabil an einer Innenwand des Schachtes abgestützt und insbesondere befestigt werden. Das System ist wetterunabhängig und kann im Kontinentalbereich des Festlands ortsfest betrieben werden. Der Schacht kann insbesondere logistisch optimiert an Städte, weitere Forschungseinrichtungen, Verkehrsverbindungen etc. angebunden sein.
Mit dem Begriff "Schacht" wird hier allgemein ein unterirdischer Grubenbau bezeichnet, dessen Längsrichtung sich in einer von der Horizontalen abweichenden Richtung, insbesondere in vertikaler oder einer relativ zur Vertikalen schrägen Richtung durch mindestens eine geologische Formation in der festen Erdkruste erstreckt. Erfindungsgemäß kann ein Tageschacht, der mit der Erdoberfläche in Verbindung steht, oder ein Blindschacht vorgesehen sein, der ausschließlich unterirdisch verläuft. Der Schacht kann mit Methoden gebaut sein, die aus dem Bergbau bekannt sind. Der Schacht hat vorzugsweise eine Schachtscheibe (Querschnitt) mit einer runden, insbesondere kreisrunden Form. Alternativ kann eine eckige Form vorgesehen sein.
Gemäß einer für die praktische Anwendung bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckvorrichtung ist im Schacht mindestens eine Wassersäule angeordnet. Der Schacht oder ein sich über die Länge des Schachtes erstreckendes, longitudinales Schachtkompartiment ist mit Wasser gefüllt. Der gewünschte hydrostatische Druck an einer vorbestimmten
Tiefenposition im Schacht wird durch die Länge der Wassersäule über der Tiefenposition bestimmt. Der Druck kann z. B. mit dem Zusammenhang p [atm] = (Tiefe [m] /10 m) * 1 atm abgeschätzt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckvorrichtung ist der mindestens eine Schacht ein Bergwerkschacht. Vorteilhafterweise können ein oder mehrere Schächte stillgelegter Bergwerke (z. B. Kohle- oder Erz-Bergwerke) aus- und umgebaut werden, um die Druckeinrichtung aufzunehmen und zumindest in Teilen geflutet werden zu können und so ein schachtförmiges kontinentales Tiefseeaquarium zu bilden. Ein wichtiger Vorteil ergibt sich daraus, dass die drucksicheren und technischen Aufbauten im tro-
ckenem Zustand und vom Grund oder jeder anderen Tiefenposition im Schacht in bestehende Bergwerksanlagen eingebaut werden können.
Vorzugsweise wird ein Hauptschacht verwendet, der im Bergwerk z. B. zum Ein- und Ausfahren der Bergleute, zur Förderung, zum Ein- und Ausziehen der Wetter und zum Abführen der Grubenwässer benutzt wurde. Alternativ oder zusätzlich kann ein Nebenschacht, wie z. B. ein Förder- oder Wetterschacht ver- wendet werden.
Es sind beispielsweise Schächte existierender Bergwerke verfügbar, deren Durchmesser z. B. im Bereich von 6 bis 10 m liegt und die eine Tiefe von mehr als 2000 m erreichen. Die meisten dieser Bergwerke werden während ihres herkömmlichen Förderbetriebs aktiv wasserfrei gehalten, so dass ein Fluten nach fertig gestelltem Einbau der Druckeinrichtung und ggf. weiterer Komponenten vorteilhafterweise nahezu selbstständig erfolgt und nur noch in Bezug auf die Ausbildung mariner Tiefwasserareale zu beeinflussen ist.
Wenn die Hochdruckvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Transporteinrichtung ausgestattet ist, können sich Vorteile für die Funktio- nalität der Hochdruckvorrichtung und den Zugriff auf verschiedene Tiefenpositionen im Schacht ergeben. Die Transporteinrichtung ist dazu eingerichtet, Transportgut im Schacht zu transportieren. Das Transportgut umfasst allgemein technische Komponenten, wie z. B. Messgeräte, oder Personen, die in die Hochdruckvorrichtung, z. B. für Zwecke der Bedienung oder der Beobachtung einfahren. Für den Transport von Personen ist die Transporteinrichtung vorzugsweise in der Druckeinrichtung angeordnet. Für diesen Zweck kann die Druckeinrichtung alternativ als Teil der Transporteinrichtung vorgesehen sein. Gemäß
einer weiteren Variante kann die Transporteinrichtung außerhalb der Druckeinrichtung im Schacht angeordnet sein, was insbesondere für einen Transport von druckstabilem Transportgut in den gefüllten Schacht von Vorteil ist.
Vorzugsweise umfasst die Transporteinrichtung einen Aufzug (oder: Lift), wie z. B. einen Seilaufzug oder einen Umlaufaufzug (sog. Paternosteraufzug). Die Verwendung eines Aufzugs hat den Vorteil, dass z. B. Personen oder technische Geräte in einer beweglichen Kabine, einem Fahrkorb oder auf einer Plattform in im Schacht zwischen zwei oder mehreren Ebenen (Tiefenpositionen) transportiert werden können. Der bewegliche Teil wird dabei z. B. auf senkrecht verlaufenden Schienen geführt. Beim Paternosteraufzug verkehren mehrere z. B. an einer Kette hängende Einzelkabinen im ständigen oder diskontinuierlichen Umlaufbetrieb.
Die Gestaltung der Transporteinrichtung kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Hochdruckvorrichtung und ins- besondere vom erwarteten Publikumsverkehr gewählt werden. Für wissenschaftliche Zwecke ist ein Fahrstuhl-System bevorzugt, wie es aus Bergwerksgruben bekannt ist. Das Fahrstuhl-System umfasst z. B. ein oder zwei oder mehr Kabinen mit möglichst großem Fassungsvermögen und hoher Belastbarkeit, die zu dis- krete Plattformen fahren, von denen aus der weitere Abstieg oder Aufstieg in Laborräume in der Druckeinrichtung erfolgen kann. Für den Fall großen Publikumsverkehrs ist ein Gondeloder Paternoster-System bevorzugt. Dieses kann an einem Seil oder an einem anderen Transportsystem (Kette, Band etc.) er- folgen, wie es von Gebirgsbahnen bekannt ist. In dieser Weise gut gesichert, erfolgt auch das An- und Abkoppeln der Gondeln, so dass Personen ohne Hast einsteigen und die Gondel wieder verlassen können. Die Zahl der Gondeln und ihre Größe kann variiert werden.
Wenn die Hochdruckvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Pumpeneinrichtung ausgestattet ist, können sich Vorteile für die gezielte Zu- führung oder Abführung von Wasser im Schacht unabhängig von eventuellem Wasserzulauf aus der Erdkruste ergeben. Mit der Pumpeneinrichtung ist der Füllstand im Schacht veränderlich.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist die Hoch- druckvorrichtung mit einer Wärmetauschereinrichtung ausgestattet, mit der ein Wärmeaustausch zwischen einerseits einer Flüssigkeit im Schacht oder einer Wand des Schachtes und andererseits der Erdoberfläche, insbesondere ein Wärmetransport und die Übertragung von Wärmeenergie vom Schacht an einen Kühler an der Erdoberfläche herstellbar ist. Vorteilhafterweise kann damit die Hochdruckvorrichtung zur Gewinnung von Energie für den Eigenbetrieb oder für eine Fremdnutzung verwendet werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Druckeinrichtung eine Innenkonstruktion auf. Mit der Innenkonstruktion kann die Wand der Druckeinrichtung gegen einen äußeren Umgebungsdruck vorteilhafterweise zusätzlich stabilisiert werden. Des Weiteren ermöglicht die Innen- konstruktion Zusatzfunktionen der Druckeinrichtung, die den
Betrieb der Hochdruckvorrichtung erleichtern. Zu diesem Zweck weist die Innenkonstruktion als Baugruppen mindestens einen Raum zum Aufenthalt von Personen, mindestens eine Treppe und/oder mindestens eine Schleuse auf. Die Bereitstellung von Räumen ermöglicht die Begehbarkeit von nicht mit Wasser gefüllten Laborbereichen in der Druckeinrichtung bei Normaldruck oder zumindest ohne aufwendige Dekompressionsprozedu- ren. Die Schleuse ermöglicht vorteilhafterweise die Druck-
Einschleusung und Unterbringung lebender Organismen in der mindestens einen Wassersäule der Hochdruckvorrichtung.
Wenn die Hochdruckvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzug- ten Ausführungsform der Erfindung mit einer Schutzeinrichtung ausgestattet ist, ergeben sich Vorteile für die Havariesicherheit der Hochdruckvorrichtung. Die Schutzeinrichtung ist dazu eingerichtet, den hydrostatischen Druck im Schacht bei Bedarf abrupt zu reduzieren. Zu diesem Zweck weist die Schutzeinrichtung vorzugsweise mindestens einen Zusatzschacht auf, der zur Aufnahme von Wasser aus dem Schacht eingerichtet ist und vom Schacht durch eine Verschlusseinrichtung (z. B. ein Schütz) getrennt ist. Im Havariefall kann die Verschlusseinrichtung geöffnet werden, um den Schacht mit dem zunächst leeren Zusatzschacht zu verbinden. Die Verschlusseinrichtung kann beispielsweise am Boden oder einem unteren Teilbereich des Schachtes, der zur Aufnahme der mindestens einen Wassersäule eingerichtet ist, angeordnet sein. Gemäß einer ersten Variante erstreckt sich der Zusatzschacht als Schachtverlän- gerung unterhalb des Bodens des Schachtes in eine größere Tiefe der Erdkruste. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Zusatzschächte vorgesehen sein, die sich parallel zum Schacht erstrecken und bei Öffnung der Verschlusseinrichtung das Wasser aus dem Schacht nach Art verbundener Ge- fäße durch Druckausgleich aufnehmen.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Hochdruckvorrichtung besteht in der großen Variabilität in der Gestaltung der Druckeinrichtung. Die Hochdruckvorrichtung kann dadurch an verschiedene Aufgaben und Anwendungen optimal angepasst werden. Gemäß einer ersten Variante kann mindestens eine Schachtkammer vorgesehen sein, die im Schacht fest installiert ist und sich vorzugsweise entlang einer Länge des Schachts erstreckt. Gemäß einer zweiten oder zusätzlichen Va-
riante kann mindestens eine Druckkapsel vorgesehen sein, die im Schacht beweglich angeordnet ist. Die Druckkapsel kann im Schacht nach Art eines Unterseebootes frei beweglich oder durch eine Leiteinrichtung, wie z. B. Schienen ausschließlich auf bestimmten Wegen beweglich sein.
Wenn die mindestens eine Schachtkammer gemäß einer bevorzugten Variante eine Zylinder- oder Hohlzylinderform aufweist, können sich Vorteile für eine optimale Platzausnutzung im in- neren Druckraum der Schachtkammer bei gleichzeitig allseitiger Druckstabilität ergeben. Besonders bevorzugt ist ein Aufbau der Schachtkammer als Stapel von Hohlsegmenten vorgesehen. Die Hohlsegmente ermöglichen eine modulare, vorgefertigte Montage der Schachtkammer . Wenn die Hohlsegmente mit Wand- ankern in einer Wand des Schachtes fixiert sind, ergeben sich vorteilhafterweise Verankerungen und Versteifungen mit einer oder mehreren Schachtwänden.
Erfindungsgemäß kann die mindestens eine Schachtkammer von der mindestens einen Wassersäule umgeben sein, d. h. die
Schachtkammer erstreckt sich als Raum mit reduziertem Druck in dem gefluteten Schacht. In diesem Fall können vorteilhafterweise die Schachtwände und an den Schacht angrenzende Sohlen zur Nachbildung unterseeischer Bodenformationen verwendet werden. Alternativ kann die mindestens eine Schachtkammer die mindestens eine Wassersäule allseitig einschließen.
Wenn die mindestens eine Schachtkammer gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Wand mit einem zumindest teilweise transparenten Material, z. B. Glas oder Kunststoff aufweist, ergeben sich Vorteile für die Beobachtung, Bildaufnahme und/oder Beleuchtung im gefluteten Bereich der Hochdruckvorrichtung. Vorzugsweise enthält die Wand der Schachtkammer mindestens ein Fenster.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die o. g. Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruckvorrichtung gelöst, bei dem zunächst der Schacht in der mindestens einen geologischen Formation der Erdkruste in einem flüssigkeitsleeren Zustand bereitgestellt und die Druckeinrichtung in den leeren Schacht eingebaut wird, wobei anschließend der Schacht geflutet wird. Alternativ kann die Druckeinrichtung in den bereits gefluteten Schacht eingebaut und anschließend leer gepumpt werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die o. g. Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckvorrichtung mit einem Schacht gelöst, der mindestens eine Wassersäule enthält, wobei tierische und/oder pflanzliche Lebewesen in der mindestens einen Wassersäule lebend gehalten und ggf. kultiviert werden. Vorteilhafterweise kann die gesamte Flora und/oder Fauna der tieferen Meereszonen in der Wassersäule gehalten werden, wie z. B. Algen, Plankton, Bak- terien, Flagellaten Krebse, Garnelen, Röhrenwürmer, Muscheln, Krebstiere, Quallen, Schnecken, Seeanemonen, weitere Hohltiere und Fische.
Vorzugsweise ist eine visuelle und/oder kameragestützte Beo- bachtung der Lebewesen in der mindestens einen Wassersäule vorgesehen. Die Beobachtung hat den Vorteil, dass die vorhandenen Tiefseeorganismen erfasst und für Experimente genutzt werden können, ohne dass die Tiefseeorganismen den Beobachtungsbereich verlassen und wie in der realen Tiefsee in eine unbegrenzte Umgebung entkommen könnten. Besonders bevorzugt ist eine Variante der Erfindung, bei der die Beobachtung aus einer Druckeinrichtung erfolgt, die im Schacht angeordnet ist und einen inneren Druckraum aufweist, der gegen einen Überdruck in der Wassersäule druckstabil ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Hochdruckvorrichtung zeichnet sich durch eine Druckentlastung der Wassersäule im Schacht aus, wobei durch eine Be- tätigung einer Schutzeinrichtung ein freies Abfließen des Wassers unter dem Druck der Wassersäule erreicht wird. Vorzugsweise ist ein Abfließen des Wassers in mindestens einen Zusatzschacht vorgesehen.
Zur Simulation von Tiefseeverhältnissen ist es erfindungsgemäß nicht zwingend erforderlich, dass im Schacht eine Druckeinrichtung vorgesehen ist. Organismen können in der Wassersäule auch ohne die Druckeinrichtung gehalten, insbesondere kultiviert, beobachtet und/oder manipuliert werden, z. B. durch kompakte Tauchgeräte. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird die o. g. Aufgabe daher allgemein durch einen Hochdruck-Schacht, insbesondere Bergwerkschacht in der Erdkruste gelöst, der mindestens eine Wassersäule enthält, die durch Salzwasser gebildet wird. Die sich in die Tiefe des Hochdruck-Schachts erstreckende Wassersäule ermöglicht vorteilhafterweise, dass Seewasserverhältnisse realisiert werden können, die denen in der realen Tiefsee möglichst nahe kommen.
Eine Salzwassersäule kann gebildet werden, indem Süßwasser Salze (insbesondere mit den Hauptbestandteilen Natriumchlorid, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Kalziumsulfat, und/oder Kaliumsulfat) derart zugesetzt werden, dass die Verhältnisse des Seewassers bereitgestellt werden. Die Wasser- säule weist vorzugsweise einen Salzgehalt auf, der größer als 20 Vo, insbesondere größer als 30 h ist. Alternativ kann eine Salzwassersäule gebildet werden, indem unmittelbar Meerwasser in den Hochdruck-Schacht geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung hat die folgenden weiteren Vorteile. Die Hochdruckvorrichtung ermöglicht eine gute Beobachtbarkeit und vollständige Erreichbarkeit aller Bereiche im gefluteten Schacht durch den Menschen sowie eine lückenlose Er- fassung vieler Tiefenbereiche, eine geographisch gute Anbindung und Erreichbarkeit für Personen und technische Ausrüstungen, und einen langzeitstabilen Betrieb und eine Unabhängigkeit von Wetterbedingungen und Klimaeinflüssen. Die Hochdruckvorrichtung zeichnet sich durch eine hohe Wartungs- freundlichkeit und die Möglichkeit aus, Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Temperatur oder Seewasserparameter zu variieren. Vorteilhafterweise besteht für den Aufenthalt von Personen in der Druckeinrichtung keine zeitliche Begrenzung. Schließlich sind eine hohe Sicherheit gegen Zerstörung und eine enge Nachbarschaft von normaldruckbefüllten (begehbaren Bereichen) und Hochdruck-Tiefsee-Wasserbereichen möglich.
Die Hochdruckvorrichtung stellt ein Labor zur Verfügung, das neben der meeresbiologischen Nutzung auch für technische Ent- Wicklungen verwendbar ist, die bislang nur in räumlich eng begrenzten Druckkammern durchgeführt werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be- schrieben. Es zeigen:
Figuren 1 bis 3: schematische Tiefenschnittansichten verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figuren 4A und 4B: Einzelheiten einer erfindungsgemäß verwendeten Transporteinrichtung;
Figuren 5 und 6 : schematische Querschnittansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figur 7: weitere Einzelheiten der Innenkonstruktion der erfindungsgemäß verwendeten Druckeinrichtung;
Figur 8 : weitere Einzelheiten des Betriebs der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figuren 9 und 10: schematische Tiefenschnittansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figuren IIA bis HC: schematische Querschnittansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figuren 12 und 13: schematische Tiefenschnittansichten erfindungsgemäß verwendeter Schutzeinrichtungen;
Figur 14: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß verwendeten Schleuseneinrichtung;
Figur 15: eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung;
Figur 16: eine schematische Tiefenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung; und
Figuren 17 und 18: schematische Tiefenschnittansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung; und
Figur 19A bis 19C: schematische Illustrationen von Zuständen von Bedienpersonal beim Betrieb der erfindungsgemäßen Hochdruckeinrichtung .
Die Erfindung wird im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf ein kontinentales Tiefseeaquarium beschrieben, das unter Verwendung eines bestehenden Bergwerksschachtes für wissenschaftliche oder demonstrative Zwecke konstruiert ist. Der Bergwerksschacht, der sich mit einer Längsrichtung vertikal durch die Erdkruste erstreckt, ist mit Längsschnittansichten (Tiefenschnittansichten) und Querschnittansichten schematisch illustriert, wobei der Schacht nicht maßstäblich in seiner gesamten Länge, sondern z. B. in den Figuren 1 und 2 mit einer Lücke gezeigt ist. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Formen, Dimensionen und Anwendungen beschränkt, sondern alternativ an reale Verhältnisse an- gepasst möglich. Es kann z. B. ein schräg verlaufender Schacht verwendet werden.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckvorrichtung 100 mit einem Bergwerkschacht 10, der sich in der natürlichen Erdkruste 11 erstreckt und in dem eine Wassersäule 12 gebildet ist, einer Druckeinrichtung 20, die in dem Bergwerkschacht 10 angeordnet ist, einer Trans- porteinrichtung 30, die in der Druckeinrichtung 20 angeordnet ist, einer Pumpeneinrichtung 40, mit der ein Füllstand im Bergwerkschacht 10 veränderlich ist, und einer Wärmetauschereinrichtung 50.
Die Druckeinrichtung 20 umfasst als einen inneren Druckraum eine Schachtkammer 21, deren Außenwand durch einen Druckzylinder 22 gebildet wird. Der Druckzylinder 22 erstreckt sich mit der Schachtkammer 21 entlang der Länge des Bergwerk- Schachts 10 von der Oberfläche der Erdkruste 11 bis zu einem Boden 23. Mit der Druckeinrichtung 20 ist der Bergwerkschacht 10 in einen trockenen inneren Zylinder und einen meerwasser- gefϋllten Außenbereich unterteilt. Im Unterschied zum Außenraum bleibt der innere Zylinder luftgefüllt bei Normaldruck oder einem etwas erhöhten Luftdruck. Die Besichtigung und Begehung des Aquariums erfolgt somit nahezu unter Normalbedingungen, wie sie an der Oberfläche oder in Bergwerken gegeben sind.
Die Schachtkammer 21 ist allseitig von der Wassersäule 12 umgeben. Die Außenwand des Druckzylinders 22 ist gegen den äußeren Überdruck in der Wassersäule 12 druckfest und besteht vollständig oder teilweise aus einem durchsichtigen Material (z. B. Glas). Die Außenwand kann z. B. aus Stahl gebildet sein und mindestens ein Fenster enthalten, durch das der äußere Raum in der Wassersäule visuell oder mit einer Kamera beobachtet kann, oder vollständig aus Glas bestehen. Die Dicke der Außenwand kann in Abhängigkeit von der Tiefe im Schacht 10 an die Druckverhältnisse in der Wassersäule ange- passt und entsprechend oberflächennah geringer als am Boden 23 sein. Vorteilhafterweise wird damit eine Einsparung von Gewicht und Material der Druckeinrichtung 20 erzielt. Die Materialwahl und Dimensionierung für die Außenwand kann auf der Grundlage von Erfahrungen erfolgen, die beim Bau von Unter- seefahrzeugen für die Tiefsee bestehen.
Die Druckeinrichtung 20 enthält eine schematisch gezeigte Innenkonstruktion 60, die allgemein mindestens eine der folgenden Baugruppen umfasst. Es können ein Stahlleitersystem mit
Plattformen zum Aufstieg und Abstieg von Wartungspersonal im Notfall und Notausstiegsplattformen zur Transporteinrichtung 30 in regelmäßigen Abständen mit Zugang zum Stahlleitersystem vorgesehen sein. Weitere Teile der Innenkonstruktion 60 kön- nen elektrische Versorgungsleitungen, Kommunikationsleitungen und/oder Wechselsprechanlagen sein. Des Weiteren können Pumpsysteme zur Entfernung evt . eindringenden Wassers, Versorgungsleitungen und Probenahmesysteme, und/oder Sensorsysteme z. B. für mechanische Zylinderbelastungen, Feuchtigkeitsein- tritt oder eine Luftparametererfassung vorgesehen sein. Weitere Einzelheiten der Innenkonstruktion 60, wie z. B. Laborräumen 61 oder eine Transportführung der Transporteinrichtung 30 sind unten beschrieben.
Abweichend von der illustrierten Ausführungsform kann die
Schachtkammer 21 der Druckeinrichtung 20 nicht zylinderförmig, sondern mit einer anderen Form, z. B. halbzylinderförmig oder quaderförmig gebildet sein. Des Weiteren kann der innere Druckraum teilweise von der Wassersäule 12 und teilweise von einer Wand des Schachtes, d. h. von dem festen Gestein umgeben sein.
Die Druckeinrichtung 20 enthält des Weiteren eine Außenkonstruktion, die allgemein mindestens eine der folgenden Bau- gruppen umfasst. Es können:
- Wasserzu- und -abführungen zur Regeneration des Wassers, dem Sauerstoff- und Gasimport, zur Einstellung des Salzgehaltes und der Temperatur etc.,
- Probeentnahmesysteme, - Druckschleusensysteme zum Einbringen von Organismen in beliebiger Tiefe des Schachtes,
- Temperatur- und andere Sensorsysteme zur Erfassung der Wasserbedingungen,
- Fütterungssysteme für Organismen,
- Elemente zur Behinderung oder Beförderung der Konvektion warmen Wassers und Sedimentation kalten Wassers,
- Einschiebbare Plattformen in verschiedener Höhe zur Verhinderung der Sedimentation oder des unerwünschten Aufstiegs von Organismen,
- lokale Erwärmungs- oder Kühlungssysteme, z.B. zur Erzeugung von „Hot smokers" oder etwa Methangashydraten etc.,
- Beleuchtungssysteme, sofern diese nicht im inneren Zylinder untergebracht werden können, und/oder Fangsysteme (Netze, Kapseln, Haken) zum Einbringen von oben in den Wasserzylinder vorgesehen sein.
Die Transporteinrichtung 30 umfasst einen Fahrstuhl 31, mit dem Transportgut, z. B. Personen, Proben und/oder Geräte im Schacht 10 transportierbar ist. Der Fahrstuhl 31 ist vorzugsweise wie in einem herkömmlichen Bergwerk mit Fahrkabinen 31.1, einem Turm 31.2 und einem Zugang 31.3 zum Einstieg und Ausstieg aufgebaut. Der Turm 31.2 oberhalb des Schachtes 10 dient der Kabinenzuführung und -auskopplung sowie der Ein- kopplung von Havarierettungssystemen etc..
Die Transporteinrichtung 30 kann alternativ oder zusätzlich ein Gondelsystem (siehe z. B. Figur 2) oder einen Umlaufaufzug (Paternoster) aufweisen. Zur Erhöhung der Sicherheit kann ein Notfahrstuhlsystem vorgesehen sein, das in einem gesonderten, druckgeschützen Zylinder (siehe z. B. Figur 15) verläuft, so dass dieses Notsystem von einem Wassereinbruch nicht betroffen wäre.
Die Pumpeneinrichtung 40 umfasst z. B. ein Pumpensystem 41, das über ein Rohrgestänge 42 zum Flüssigkeitstransport mit dem Fuß der Wassersäule 12 und/oder zum Gastransport (Belüftung, Luftzu- und -abführung im Zylinderinneren) mit dem Boden 23 des Schachtes 10 verbunden ist. Pumpensysteme 41 zum
sicheren Betrieb in tiefen Schächten sind aus der Bergbautechnik bekannt.
Die Wärmetauschereinrichtung 50 dient der Temperierung des Wassers der Wassersäule 12, der Klimatisierung und/oder der Energiegewinnung. Zum Wärmeaustausch zwischen dem Schacht 10 und der Oberfläche der Erdkruste ist eine Rohrleitung 51 vorgesehen. Vorzugsweise bildet die Wärmetauschereinrichtung 50 ein Erdwärmekraftwerk, wie es aus der Energietechnik bekannt ist. Die gewonnene Energie kann im Gesamtaufbau des kontinentalen Tiefseeaquariums genutzt werden.
Im Folgenden werden weitere Einzelheiten des Verfahrens zum Aufbau der Hochdruckvorrichtung 100 gemäß Figur 1 und von de- ren Betrieb beschrieben. Die Hochdruckvorrichtung 100 wird unter Verwendung eines vorhandenen Bergwerksschachtes 10 gebaut. In typischen Kohlebergwerken hat der Hauptschacht einen Durchmesser von z. B. rd. 8 bis 10 m. Der innere Druckzylinder 22 hat einen Durchmesser von z. B. rd. 5 m.
Falls erforderlich, wird zunächst bei einer Schachtpräparation die Wand des Bergwerksschachtes 10 verfestigt und mit einer für Bioorganismen geeigneten Oberfläche überzogen (z. B. Beton, Kunststoff, insbesondere Polymere, Verglasung o. dgl.). Kavernen, Vertiefungen, Schachtzugänge und Sohlen können bestehen beleiben, so dass ein nach der Flutung weit verzweigtes Wassersystem ausgebildet wird (siehe Figur 10) .
Da die Temperatur mit der Tiefe um ca. 30C pro 100 m zunimmt, ist in einer Tiefe von 1000 m mit einer Temperatur von rd. 20 bis 300C zu rechnen. Dies kann entweder analog zu geologisch aktiven Seebodenbereichen für wärmeadaptierte Organismen direkt genutzt werden oder alternativ durch Kühlung bestimmter Bereiche der Wassersäule 12 zur Simulation von kühlen Tief-
seebereichen genutzt werden. Die Wandoberfläche des Schachtes kann mit einem Material beschichtet sein, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die zur Schaffung einer thermischen Isolation der Wassersäule 12 gewählt ist.
In den präparierten Schacht 10 wird im trockenen Zustand das druckfeste Zylindersystem der Druckeinrichtung 20 eingebaut. Vorzugsweise wird der trockene und begehbare Druckzylinder 22 aus Hohlsegmenten zusammengebaut (siehe Figur 9) . Des Weite- ren wird in den Druckzylinder 22 der Fahrstuhl 31 eingebaut, der in Luft über die gesamte Tiefe des Schachtes 10 oder mit Umsteigen über Teile der Schachttiefe läuft.
Wenn die Einbauten erfolgt und insbesondere der Druckzylinder 22 bis zur Erdoberfläche dicht montiert und die technischen Installationen komplettiert sind, kann der Schacht 10 geflutet werden. Hierzu wird natürlich vorhandenes Bodenwasser in den Schacht 10 durch gezieltes Einpumpen oder durch Abschalten von vorher betriebenen Trockenpumpen eingeführt. Im Re- sultat steht eine Wassersäule von z. B. 1000, 2000 oder mehr Metern zur Verfügung.
Die Zustandseigenschaften des Wassers, insbesondere die chemische Zusammensetzung (z. B. der Salzgehalt, Nährstoffge- halt) und die Temperatur können anschließend bei Bedarf korrigiert oder nachgestellt werden. Zur Einstellung stabiler Verhältnisse können Monate oder ggf. Jahre erforderlich sein. Es kann insbesondere eine Regulierung der Nährstoffzugäbe vorgesehen sein, um das Wachstum der Tiefseeorganismen auch bei hohen Populationen sicherzustellen.
In den gefluteten Schacht 10 können für den Betrieb der Hochdruckeinrichtung 100 in verschiedenen Tiefen Organismen angesiedelt werden. Hierfür können in der Wand des Schachtes 10
entsprechende Plattformen, Anhaftstellen, Kavernen etc. vorgesehen sein. Die Organismen können von oben im Schacht versenkt oder von der Druckeinrichtung 20 aus durch eine Schleuse in die Wassersäule 12 eingebracht werden.
Beim weiteren Betrieb der Hochdruckeinrichtung 100 kann ggf. eine Reinigung der äußeren Glasoberfläche des Druckzylinders 22 vorgesehen sein. Durch die Reinigung kann z. B. ein Bakterienbewuchs (Biofilmbildung) oder ein Algenbewuchs beseitigt werden, der ggf. nach einer Einwanderung photosynthetisch aktiver Organismen durch eine Beleuchtung zu Beobachtungszwecken entsteht.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsge- mäßen Hochdruckvorrichtung 100 mit dem Bergwerkschacht 10, der Druckeinrichtung 20 und der Transporteinrichtung 30, die in diesem Fall einen Gondelaufzug 32 umfasst. Der Gondelaufzug 32 umfasst eine Vielzahl von z. B. runden oder zylindrischen Gondeln 33. Ein Gondeldurchmesser beträgt z. B. rd. 1.5 bis 2 m. In der Gondel 33 haben z. B. 2 bis 6 Personen Platz. Die Gondeln 33 können mit Stühlen ausgestattet sein.
Der Gondelaufzug 32 ermöglicht, eine große Anzahl von Besuchern in der Druckeinrichtung 20 durch das Tiefseeaquarium zu transportieren. Der Gondelaufzug 32 arbeitet nach dem Paternoster-Prinzip und ist vorzugsweise wie eine Gebirgsseilbahn aufgebaut. In einem Durchlauf könnten beispielsweise bei einer Tiefe des Schachtes 10 von 1000 m 100 bis 200 Gondeln 33 in 1 bis 2 Stunden 400 bis 800 Personen durch den Schacht 10 transportieren. Dies ermöglicht die kommerzielle Verwendung des Tiefseeaquariums für touristische Zwecke, so dass die wartungsintensive Anlage kostengünstig und bei breitem öffentlichen Betrieb sogar gewinnbringend betrieben werden kann.
Die Gondeln 33 können mit einem Kommunikationssystem zur Oberfläche verbunden sein und eine eigene Notbeleuchtung aufweisen. Über einen gesicherten Notausstieg können die Gondeln 33 in Richtung einer Nottreppe verlassen werden. Die Gondeln 33 können neben der Seilbefestigung in einer Leiteinrichtung (Führungsschiene) 34 (siehe Figuren 17B, 18B) laufen, in der die Gondeln 33 gebremst werden können, falls ein Abreißen des Haupt- und Sicherheitsseils auftreten sollte. Ein Stillstand des Transportmechanismus, Stromausfall, Riss des Seiles etc. stellen daher keine existentielle Gefahr dar, obwohl die Gondeln in einem Schacht von 1000 m Tiefe und mehr laufen.
Ein ernstes Problem beim Betrieb des Aquariums würde ein un- erwünschter großvolumiger Wassereintritt in den Schacht 10, z. B. durch ein Bersten eines Hohlsegments des Druckzylinders darstellen. Für diesen Fall können leistungsfähige Pumpen vorgesehen sein, welche die Schachtkammer solange trocken halten, bis die darin befindlichen Personen evakuiert worden sind. Ist nicht ein ganzes Bergwerk als Aquariumsteil genutzt, so ist die zylindrische Wassersäule ebenfalls relativ rasch mit Hochleistungspumpen, dann allerdings unter Verlust der Organismen, abpumpbar. Die zusätzlichen druckfesten Rettungsaufzüge mit gesonderter Luftversorgung erlauben zudem die Evakuierung von wenigen Personen (z.B. im Havariefall eines rein wissenschaftlichen Labors mit wenig Personal) . Durch diese Maßnahmen kann das kontinentale Tiefseeaquarium bereits im Vergleich zu einem Labor in offener See weitaus sicherer gemacht werden kann. Vorzugsweise ist jedoch eine gesonderte Schutzeinrichtung 70 vorgesehen, wie sie in Figur 3 schematisch illustriert ist.
Die Schutzeinrichtung 70 umfasst gemäß der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung zwei Zusatzschächte 71, 72
zur Aufnahme von Wasser aus dem Schacht 10. Die Zusatzschächte 71, 72 sind über zwei Schütze 73, 74 mit dem Boden 23 des Schachtes 10 verbunden. Im Havariefall werden die Schütze 73, 74 geöffnet ( z. B. durch eine Sprengung), so dass Wasser aus dem Schacht 10 in die Zusatzschächte 71, 72 laufen kann, bis in allen Schächten ein gemeinsames Niveau erreicht ist. Sobald Wasser in die Zusatzschächte 71, 72 strömt, kommt es im Schacht 10 zur abrupten Druckentlastung.
Die Figuren 4A und 4B zeigen eine detailliertere Darstellung des Schachtsystems mit einem wassergefüllten Außenraum (Wassersäule 12) mit Tieren 1 des Meeres aus den verschiedensten Tiefen. Figur 4A zeigt den Schacht 10 mit rd. 8 m Durchmesser, wie er typisch für Bergwerke ist. Die Druckeinrichtung 20 ist im Schacht 10 exzentrisch angeordnet. Die Aufhängung der Gondeln 33 ist in Figur 4B dargestellt. Zur Sicherung der Gondeln 33 werden ein Tragseil 35 und ein Halteseil 36 verwendet, wie es von herkömmlichen Seilbahnen bekannt ist. Vorzugsweise ist eine drehbare Aufhängung 37 der Gondeln 33 vor- gesehen. Figur 5 zeigt den entsprechenden Querschnitt durch den Schacht 10 und die Druckeinrichtung 20 mit den Gondeln 33, weiteren Versorgungsleitungen und ggf. einem Notaufzug.
Figur 6 zeigt weitere Einzelheiten der Innenkonstruktion 60 der Druckeinrichtung 20 im Schacht 10. Neben der Transporteinrichtung 30 mit den Gondeln 33 sind Räume 61 zum Aufenthalt von Personen und eine Treppe 62 vorgesehen. Die Treppe 62 umfasst z. B. eine Nottreppe mit Plattformen und Zugängen zu den Räumen 61. Des Weiteren sind seitlich Leitungen 64, wie z. B. Kabel, Signalleitungen und Druckleitungen angeordnet. Versorgungsschächte 65 dienen der Versorgung mit Luft, und Wasser oder zur Aufnahme eines Notaufzugssystem für eine rasche Beförderung von Hilfspersonal oder zur Evakuierung. Des Weiteren umfasst die Innenkonstruktion 60 stab- oder bal-
kenförmige Stützelemente 66, durch die der Druckzylinder 22 versteift wird.
Von den Gondeln 33 aus kann die Tier- und ggf. Pflanzenwelt in der Wassersäule 12 beobachtet werden. Zu diesem Zweck ist der Druckzylinder zumindest in Blickrichtung durchsichtig sein. Die Gondeln 33 laufen an Führungsschienen 34 (Mitte) befestigt und an einem Seil hängend auf eine Seite aufwärts und auf der anderen Seite abwärts.
Figur 7 illustriert die Anordnung der Treppe 62, des Versorgungsschachts 65 mit dem Notaufzugssystem und der Transporteinrichtung 30 mit den Gondeln 33 in schematischer Tiefen- schnittansicht . Zweckmäßigerweise setzt sich der Druckzylin- der 22 aus Hohlsegmenten 24 zusammen (siehe Figur 9), wobei die in Figur 7 gezeigte Installation in jeweils einem Hohlsegment 24 vorgesehen ist. In Tiefenrichtung des Aquariums können die Hohlsegmente 24 verschieden ausgestattet sein, z. B. mit Räumen 61 zum Aufenthalt von Personen.
In Figur 8 ist der tiefste Bereich (Tiefseebereich) des kontinentalen Tiefseeaquariums gezeigt. Der äußere Wasserbereich (Wassersäule 12) kann sich unterhalb des Bodens 23 erstrecken und sich in Sohlen 13 und andere Vertiefungen, wie sie in Bergwerken vorkommen, verzweigen. Damit entsteht ein den natürlichen Verhältnissen ähnlicher Biotop. Figur 8 zeigt des Weiteren, dass die Gondeln 33 jeweils mit Beleuchtungselementen 38 (z. B. Scheinwerfern) ausgestattet sein können. Die Beleuchtungselemente 38 sind dazu eingerichtet, dass nur die Bereiche beleuchtet werden, die von Personen in den Gondeln 33 beobachtet werden können. Alternativ oder zusätzlich können Beleuchtungselemente 38 auf der Außenseite des Druckzylinders 22 vorgesehen sein, wie schematisch in Figur 9 gezeigt ist.
Vorzugsweise ist der Druckzylinder 22 der Hochdruckvorrichtung 100 aus einem Stapel von Hohlsegmenten 24 zusammengesetzt, wie schematisch in Figur 9 illustriert ist. Die Hohl- Segmente 24 sind mit Wandankern 25 in einer oder mehreren Wänden des Schachtes 10 verankert (siehe auch Figur 16) . Es kann eine starre oder eine elastische Verankerung vorgesehen sein. Entsprechend bestehen die Wandanker 25 aus einem festen, formstabilen oder flexiblen Material. Eine gedämpfte o- der elastische Wandankopplung kann von Vorteil sein, um mögliche Erschütterungen oder Gesteinsbewegungen in der Umgebung des Schachtes zu kompensieren. Zusätzlich zu den Wandankern 25 können zur Zugentlastung des Druckzylinders 22 Spannelemente wie z. B. Spannseile vorgesehen sein.
In axialer Richtung wiesen die Hohlsegmente 24 profilierte, zueinander komplementäre Ränder auf, die im zusammengesetzten Zustand der Hohlsegmente 24 ineinander greifen. Die Fugen zwischen den Hohlsegmenten 24 sind gegenüber dem Außenraum abgedichtet. Es ist beispielsweise eine Ringdichtung 26 aus einem elastisch deformierbaren Material vorgesehen. Vorteilhafterweise wird die Ringdichtung 26 durch den äußeren Wasserdruck abgedichtet, wobei die Dichtwirkung mit zunehmender Tiefe entsprechend steigt.
Die Hohlsegmente 24 sind innen durch die Einbauten (insbesondere Treppenhaus (z.B. aus Stahl), Kreuz- und Querträger), die auch in Figur 7 illustriert sind, zur Stabilisierung gegen den Seitendruck versteift.
Erfindungsgemäß kann die Hochdruckvorrichtung 100 gemäß Figur 10 ein verzweigtes System von Schächten 12, 14 und Sohlen 13 aufweisen, in dem sich Tiefseeorganismen aufhalten können. Im verzweigten System können sichtbare und vom Druckzylinder 22
nicht sichtbare Bereiche gebildet sein. Vorteilhafterweise werden damit ungestörte Rückzugsgebiete für die Organismen geschaffen. Der Schacht 14 ist ein Blindschacht, der als salzwassergefüllter Schacht in der Erdkruste einen unabhängi- gen Gegenstand der Erfindung darstellt. Das verzweigte System kann mit autonomen unbemannten oder mit bemannten Gondeln 33.1 mit eigenem Antrieb (Tauchboote) befahren werden, z. B. für Beobachtungszwecke oder um Tiere oder Pflanzen zu suchen, zu bewegen, zu entfernen oder auszusetzen. Der Blindschacht 14 kann völlig autonom sein oder für Versorgungszwecke mit der Druckeinrichtung 20 im Hauptschacht 10 verbunden sein.
Figur IIA bis HC zeigt drei Varianten der Anordnung der Druckeinrichtung 20 und der Transporteinrichtung 30 im Schacht 10 zur Bereitstellung des erfindungsgemäßen Tiefseeaquariums. In Figur HA ist die oben beschriebene Form eines druckfesten, befahrbaren Druckzylinders 22 im Querschnitt gezeigt, der von Wasser im Schacht 10 umgeben ist. Der Vorteil dieser Variante ist ein großräumiger Panoramablick in das A- quarium mit einem großen Wasservolumen.
Gemäß Figur HC hingegen ist die Druckeinrichtung 20 ein Hohlzylinder, in dem die Wassersäule 12 angeordnet ist. Die Druckeinrichtung 20 umgibt die Wassersäule 12 allseitig. Bei dieser Variante kann das Wasservolumen vorteilhafterweise bis auf die Dicke einer Glasrohrleitung verkleinert werden, was eine hohe Sicherheit des Aquariums ermöglicht. Ein typischer Durchmesser des Aquariumszylinders liegt z. B. bei 1 bis 3 m. Alternativ können mehrere Wassersäulen nebeneinander einge- baut sein. Vorteilhafterweise können damit Organismen, z. B. Räuber von der Beute getrennt werden.
Gemäß Figur HB ist der gesamte Schacht 10 großräumig mit Wasser gefüllt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung bil-
den die Druckeinrichtung 20 und die Transporteinrichtung 30 einen gemeinsamen Aufbau. Die Gondeln 33 sind einzeln druckfest und autonom oder über eine Versorgungsleitung mit Energie und Atemluft versorgt.
Ein wesentliches Element eines begehbaren Tiefseeaquariums ist die Sicherheitstechnik. Insbesondere der Fall eines Wassereinbruchs in den Besucher-/Arbeitsbereich der Druckeinrichtung 20 würde eine extreme Gefährdung bei mehreren hun- dert Metern Wassersäule darstellen. Das größte Risiko für
Personen in der Druckeinrichtung 20 entsteht bei den Varianten der Figur IIA und HC, da in diesen Fällen erhebliche Wassermassen bewältigt werden müssen.
Alternativ zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Hochdruckvorrichtung 100 zur Havariesicherung mit Schutzeinrichtungen 70 ausgestattet sein, wie sie in den Figuren 12 und 13 schematisch illustriert sind.
Gemäß Figur 12 weist die Schutzeinrichtung 70 einen Zusatzschacht 71 auf, der sich als Schachtverlängerung unterhalb des Bodens 23 des Druckzylinders 22 in eine größere Tiefe (z. B. einige hundert Meter oder weniger) der Erdkruste erstreckt. Die Dimension (Tiefe und/oder Durchmesser) des Zu- satzschachts 71 ist so gewählt, dass sein Volumen V2 das Volumen Vl der Wassersäule 12 aufnehmen kann. Zwischen dem Schacht 10 und dem Zusatzschacht 71 ist eine Schottwand 75 vorgesehen, die zur sofortigen Druckentlastung des luftgefüllten Druckzylinders 22 abrupt geöffnet werden kann, so dass die eindringende Wassermenge stark begrenzt wird. Wird die Schottwand 75 z. B. durch eine Sprengung geöffnet, fällt die Wassersäule 12 in die Tiefe. Dadurch sinkt der Seitendruck auf den Druckzylinder 22 nahezu auf null.
Gemäß Figur 13 weist die Schutzeinrichtung 70 zwei Zusatzschächte 71, 72 auf, die sich als Schachtverlängerungen unterhalb des Schachtes 10 in die Erdkruste erstrecken. Diese Variante ist bei der Verwendung einer Hochdruckvorrichtung gemäß Figur IIB mit einem wassergefüllten Innenzylinder bevorzugt. Wegen des relativ geringen Wasservolumens Vl genügen als Zusatzschächte 71, 72 kürzere Schachtverlängerungen am Boden. In den Zusatzschächten 71, 72 können sich Pumpensümpfe befinden, aus denen das Wasser abgeführt werden kann. Das Auffangvolumen V2 kann kleiner als das Wasservolumen Vl sein. Des Weiteren lassen sich Seitenstollen zur Aufnahme des Wassers oder Nebenschächte nutzen.
In Figur 14 ist ein Ausschnitt einer Schachtkammer 21 im Tiefseeaquarium dargestellt. In der Schachtkammer 21 ist zum Entnehmen und Einsetzen von Organismen in die Wassersäule 12 ein Andocksystem, z. B. in Form einer Schleuse 63 angeordnet. Die Schleuse 63 umfasst zum Beispiel ein Druckaquarium, das in die Wand des Druckzylinders 22 eingebaut und mit einer Drucksteuerung 67 (z. B. mit einer Hydraulikpumpe) verbunden ist. Zur Aufnahme eines Fisches 2 aus dem Außenbereich wird der Druck im Druckaquarium auf den Tiefendruck der Wassersäule 12 erhöht. Dann wird der Fisch 2 über eine geöffnete Schleusentür aufgenommen. In entsprechender Weise können Or- ganismen oder andere Proben entnommen oder eingegeben werden.
Figur 15 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der im Schacht 10 mehrere Druckeinrichtungen 20.1 bis 20.4 und mehrere Wassersäulen 12.1 bis 12.9 angeordnet sind. Jede der Wassersäulen ist in einem gesonderten, sich über die Länge des Schachtes erstreckenden, longitudinalen Schachtkomparti- ment angeordnet. Diese Ausführungsform ist sowohl für wissenschaftliche Zwecke (Untersuchung verschiedener, miteinander nicht verträglicher Systeme) und für touristische Zwecke von
Vorteil. Durch die Anordnung von Schachtkompartimenten mit geringem Durchmesser und entsprechend angeformte Besuchergondeln im Trockenbereich kann die Illusion einer Tiefseefahrt hervorgerufen werden.
Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der die rohrförmige Druckeinrichtung 20 segmentweise allseitig in der Schachtwand verankert ist, wird in Figur 16 gezeigt. Zur Entlastung der Eigenmasse hängen die Hohlsegmente 24 in der Wand, wodurch die Stabilität des Druckzylinders 22 deutlich erhöht wird.
Figur 17 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Transporteinrichtung 30 schienengebundene Gondeln um- fasst, die in der Druckeinrichtung 20 (Aufbau gemäß Figur IIB) an der Wand des Schachts 10 umlaufen. Mit dieser Konstruktion lassen sich Verzweigungen mit Weichen und Umwegleitungen installieren, so dass einzelne Gondeln ein- und ausgeführt werden können.
Gemäß Figur 18 umfasst die Druckeinrichtung 20 eine Vielzahl von druckfesten Druckkapseln 27, die an Schienen oder anderen Führungen in der Schachtwand bewegt werden. Alternativ kann auch ein freier Seilbetrieb oder ein kombinierter Seil- und Schienenbetrieb vorgesehen sein. Im letzteren Fall kann eine einzelne Druckkapsel am Seil in die Wassersäule 12 gesenkt und an passender Stelle an der Führung angedockt werden (siehe Pfeil) .
Die Druckkapsel 27 kann zur Aufnahme einer einzelnen Person ausgelegt sein. Des Weiteren kann eine Druckkapsel 27 mit einer Schleuse 63 ausgestattet sein (Figur 19A) . Bestimmte Tiefenbereiche, insbesondere oberhalb von 500 m lassen sich in
Tauchanzügen befahren, die schematisch in Figur 19B und 19C gezeigt sind.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.