Die Internationale Raumstation ISS. Wenn hier ein Gasleck entsteht, kann das Folgen für Leib und Leben der Besatzung haben - genauso wie bei einem Leck in der Industrie. Darum wird in beiden Fällen mit Ultraschall-Technologien nach diesen Lecks gesucht.

Die Internationale Raumstation ISS. Wenn hier ein Gasleck entsteht, kann das Folgen für Leib und Leben der Besatzung haben - genauso wie bei einem Leck in der Industrie. Darum wird in beiden Fällen mit Ultraschall-Technologien nach diesen Lecks gesucht. - Bild: dimazel&stock.adobe.com

Ein Leck in einer Leitung für Druckluft, Dampf, CO2, CH4 oder H2 kann neben einem finanziellen Risiko auch für Leib und Leben gefährlich sein. So kann in der Gasturbineneinhausung eine Leckage zu erheblichen Risiken für die Arbeitssicherheit und am Ende auch für die Gesundheit der Mitarbeiter führen. Auf Ölplattformen führen diese im schlimmsten Fall zu Bränden.

An Bord der Internationalen Raumstation ISS kann das Risiko einer Druckluftleckage hingegen andere Ausmaße annehmen. So ist der Versand von Druckluft per Fracht zur ISS sehr aufwendig und kostet 10.000 Euro pro Kilo. Aber nicht nur darum ist der Verlust von Luft ins Vakuum des Weltraums für die an Bord befindlichen Astronauten eine reale Bedrohung.

Dazu kommt, dass die in einer Fabrik auf der Erde üblichen Lecksuchmethoden wie Seifenspray, Laser oder relativ einfache Handdetektoren ('Schnüffler') im All nur schwerlich, wenn überhaupt, anzuwenden sind. Außerdem brauchen diese Verfahren Zeit, die die Astronauten nicht haben – es stehen bei den teuren Weltraummissionen viele teure und dringende Experimente an.

Kein Wunder also, dass die NASA und ihre internationalen Partner als Betreiber der ISS penibel darauf achten, nichts von dem wertvollen Stoff zu verlieren und ihre Station genauestens auf Luftverlust überwachen. Zuletzt wurde im September 2019 einen leichten Anstieg des durchschnittlichen Druckluftverlustes in der ISS festgestellt, ein Indiz für ein mögliches Leck. Zwar bestand in diesem Fall keine unmittelbare Gefahr für die Besatzung, doch musste das Leck gefunden und repariert werden. Die Astronauten mussten Abschnitt für Abschnitt und Modul für Modul der Station isolieren, um so das Luftleck zu finden und zu verschließen.

Um die Suche künftig schneller und einfacher zu gestalten, machte sich die NASA auf die Suche nach einer entsprechenden Technologie. Fündig wurde sie in der Schweiz: Die Ultraschallkamera Ultra Pro des in Zürich ansässigen Unternehmens Distran versprach eine Lösung für die einfachere Lecksuche auf der ISS.

Auch in der Industrie suchen Profis mit der Ultraschallkamera aus der Schweiz nach Gaslecks.
Auch in der Industrie suchen Profis mit der Ultraschallkamera aus der Schweiz nach Gaslecks. - Bild: Distran

Die Distran Ultra Pro zeigt den genauen Ort des Lecks an und schätzt die Leckrate in Echtzeit. Das Gerät erkennt dabei den Ultraschall, den der Gasstrom erzeugt, wenn er durch kleine Löcher, Nähte und Risse strömt. Die akustische Bildgebung wird in Echtzeit auf ein optisches Bild übergelagert und soll so eine klare Lokalisierung von Lecks ermöglichen.

Die Kamera zeichnet Vakuum- und den sogenannten Jetting-Ultraschall auf, der von jeder Leckart erzeugt wird. Dabei erkennt sie auch Lecks im lauten Umfeld, sofern sich die Schallfrequenzen des Lecks und der Lärmquelle unterscheiden. Nicht alle Lecks erzeugen Ultraschall in der gleichen Frequenz, darum können an der Kamera unterschiedliche Suchfrequenzen ausgewählt werden.

Die NASA legte auch Wert darauf, dass teils verstopfte, schwer zugängliche oder versteckte Lecks lokalisiert werden können – denn die ISS mit ihren Regalen, Rohrleitungen, Kabeln und Experimentgeräten ist für die Suche eine herausfordernde Umgebung. Die Entscheidung war gefallen und so startete also eine Ultraschallkamera aus Zürich am 6. Dezember 2020 mit der 100. Falcon 9 Rakete von SpaceX im Zuge des Versorgungstransports CRS-21 zur ISS.

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Das Video zeigt den letzten Abschnitt des Countdowns bis zum Start der Falcon 9 von SpaceX zur ISS im Rahmen der Mission CRS-21 sowie den ersten Abschnitt des Fluges. - Inhalt: SpaceX

Lecks treten aber nicht nur im All auf – sondern natürlich auch und gerade in Fabriken sowie Anlagen auf der Erde. Zwar wären hier die üblichen, bereits beschriebenen Lecksuchmethoden relativ problemlos anwendbar – doch bringen sie nicht immer das gewünschte Ergebnis, wie Matthias Witt, Leiter IGT Field Service & Package bei MTU Maintenance Berlin-Brandenburg in Ludwigsfelde weiß.

Der Ludwigsfelder Field Service prüft bei den von ihm betreuten Gasturbinen beispielsweise Leckagen im Brennstoffversorgungssystem nach Modifizierungen oder Instandhaltungsmaßnahmen: "Diese Leckagen sind zum Teil sehr schwer zu orten und führen zu ungeplanten Anlagenstillständen sowie Risiken im Betrieb der Anlage. Undichte Verbindungselemente am Verdichter oder Sperrluftsystemen können langfristig zu Maschinenschäden führen. Beschädigte, also undichte Kompensatoren und Verbindungselemente im Luftsystem sowie im Abgastrakt führen zu ungeplanten Stillständen und somit zum Anlagenausfall."

Witt hatte vom Einsatz der Distran-Ultraschallkamera auf der ISS gehört und besorgte sich ein Testgerät: "Wir wollen das Messgerät hauptsächlich für einen standardisierten Leckage Check-Up nach Wiederinbetriebnahme von Gasturbinen anwenden. Damit steigern wir die Arbeitssicherheit und minimieren das Risiko ungeplanter Anlagenstillstände", erklärt er.

Sein Team und er testeten das System in einem Prüfstand für Industriegasturbinen. "Die von uns simulierten Luftleckagen wurden sehr schnell erkannt, auch bei starker Belüftung der Testzelle." Weitere Tests in kommerziell betriebenen Anlagen folgten. "Undichtigkeiten konnten aus sicherer Entfernung angezeigt werden, ein echter Gewinn in puncto Arbeitssicherheit", sagt Witt. Da das System mobil ist, wird es in der Zwischenzeit auch bei weltweiten Serviceeinsätzen und im R&D-Bereich eingesetzt. "Auch eine Anwendung im Bereich der Flugtriebwerke wäre denkbar und wird aktuell in den relevanten Konzernbereichen geprüft."

So detektiert die Ultraschallkamera die Lecks: Der Nutzer erkennt sie mittels des eingeblendeten roten Punktes auf dem Bildschirm auf der Rückseite des Geräts.
So detektiert die Ultraschallkamera die Lecks: Der Nutzer erkennt sie mittels des eingeblendeten roten Punktes auf dem Bildschirm auf der Rückseite des Geräts. - Biler: Distran

Wie die Ultraschallkamera funktioniert, erklärt Florian Höchli, Sales and Business Development Manager beim Hersteller Distran: "Da Gaslecks bekanntermaßen Ultraschallgeräusche erzeugen, erkennt die ALI-Technologie (Acoustic Leak Imaging) sie anhand ihrer akustischen Emissionen. Eine Ultraschallkamera besteht aus einer Anordnung von Mikrofonen (ausgelegt für Ultraschall), die auf einer 2D-Platte zusammen mit einer optischen Kamera verbaut sind. Wenn eine Ultraschallwellenfront an dieser Platte ankommt, erreicht die Welle jedes einzelne Mikrofon zu einem anderen Zeitpunkt. Anhand der resultierenden Zeitdifferenzen kann die Kamera die Position der Schallquelle rekonstruieren. Die akustischen Informationen zur Leckposition überlagern in Echtzeit das von der optischen Kamera erfasste Bild. Dieses wird auf den integrierten Bildschirm angezeigt, sodass der Benutzer die Lecks buchstäblich 'sehen' kann."

Die Ultraschallkamera von Distran im Industrieeinsatz.
Die Ultraschallkamera von Distran im Industrieeinsatz. - Bild: Distran

Diese Technologie ist noch relativ jung: Die erste Ultraschallkamera wurde 2013 in Zusammenarbeit mit Alstom (später General Electric) für die Inspektion von Kraftwerksanlagen entwickelt. Die Technologie von Distran ist in verschiedenen Typen von Wärmekraftwerken im Einsatz: Gas- und Dampfkraftwerken, Kohlekraftwerken, aeroderivative Gasturbinenkraftwerken, Müllheizkraftwerken sowie Kernkraftwerken.

"Aufgrund der Vielzahl verwendeter Gassysteme (Methan, Dampf, Druckluft und Vakuum) sowie der hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen kommen die Ultraschallkameras besonders in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken zum Einsatz", sagt Höchli. Angst vor großen Namen hat das junge Unternehmen dabei nicht: "Zu unseren Kunden zählen unter anderem große Industrieunternehmen wie General Electric, Air Liquide, Shell, RWE oder BASF." Und – sozusagen als abgehobenstes Beispiel – die Astronauten der ISS.

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