Physik | Technik
Ilena Teng, 2006 | Zürich, ZH
Jedes Jahr sterben rund 300’000 Wale und Delfine als Beifang in Fischernetzen. Warum sie in Netze hineinschwimmen, ist unklar. Diese Arbeit untersucht die Hypothese, dass Fischernetze durch Echoortung kaum wahrnehmbar sind.
Dazu wurde die delfinische Echolokation analysiert und nachgebaut. Mit der Konstruktion wurden verschiedene Materialien und Fischernetze getestet. Die Resultate zeigen, dass moderne Netze tatsächlich kaum messbare Echos erzeugen. Abschliessend wurden die Netze so modifiziert, dass sie für Delfine besser wahrnehmbar wären.
Fragestellung
Ziel der Arbeit ist herauszufinden, ob Delfine Fischernetze wahrnehmen können. Dazu werden folgende Fragen untersucht:
– Wie funktioniert die Echoortung von Delfinen und inwiefern lässt sie sich nachbauen?
– Wie sehen die Echos verschiedener Materialien aus und ist die Konstruktion sensibel genug, Unterschiede aufzuzeigen?
– Wie stark reflektieren Fischernetze Schallwellen?
– Können Fischernetze besser wahrnehmbar gemacht werden?
Methodik
Ultraschallsysteme sind in der Regel teuer und nur für einen spezifischen Gebrauch gedacht, daher besteht die Konstruktion aus diversen Einzelkomponenten in einer Messbox. Ein Lautsprecher und zwei Mikrofone sind in 3D-gedruckten Halterungen auf einer gefrästen Holzplatte montiert und mit den übrigen Komponenten verkabelt. Ein 3D-gedruckter Delfin vor den Transducern dient der zeitlichen Bestimmung des Echomomentes. Ein kurzer Ultraschallton wird ausgesendet, die entstehenden Echos werden von den Mikrofonen aufgenommen, digitalisiert, am Computer aufgezeichnet und verglichen.
Untersucht wurden in 35 cm Abstand Glas, Kunststoff, Holz, Karton, zwei Filzarten, Schaumstoff sowie ein Naturfasernetz und ein Mono- und Multifilamentnetz.
Zur Verbesserung der Sichtbarkeit der Netze wurden Perlen der verschiedenen Materialien an den Netzen befestigt.
Ergebnisse
Die Echowellenformen wurden anhand ihrer Amplitude und der Anzahl Echowiederholungen eingeordnet.
Glas und Kunststoff weisen die stärksten Echoreflexionen auf. Filz, Schaumstoff und das Naturfasernetz haben schwache Echos.
Das Multifilamentnetz weist ein sehr kleines Echo auf, wohingegen das Monofilament von der Konstruktion nicht detektiert wird.
Die Modifizierung durch Perlen erhöht die Echoreflektivität und das Netz wird detektiert.
Diskussion
Es bestehen folgende Unterschiede zwischen der Konstruktion und der delfinischen Echoortung:
Da Luft im Vergleich zu Wasser und den getesteten Materialien eine deutlich geringere akustische Impedanz besitzt, entstehen stärkere Reflexionen und damit ausgeprägtere Echos, während diese unter Wasser entsprechend schwächer ausfallen würden.
Da sich Schall unter Wasser rund 4.4-mal schneller ausbreitet, ergibt sich in der Konstruktion proportional eine grössere simulierte Distanz: Der Materialabstand von 35 cm entspricht etwa 1.5 m unter Wasser – eine realistische Distanz zwischen Delfinen und Netzen.
Zusätzlich sind Delfinklicks kürzer (ca. 128 statt 250 Mikrosekunden) und enthalten teilweise mehrere Frequenzen gleichzeitig. Trotz dieser Abweichungen lassen die Messungen Rückschlüsse auf die Wahrnehmung von Delfinen zu.
Die Messungen zeigen klare Unterschiede zwischen den verschiedenen Materialien und den Fischernetzen. Glas und Kunststoff reflektieren aufgrund hoher Dichte und glatter Oberfläche stark, während poröser Schaumstoff Schall absorbiert. Obwohl Fischernetze aus grundsätzlich reflektierendem Material bestehen, sind ihre Filamente zu dünn, um die Schallwelle messbar zu reflektieren. Wahrscheinlich ist dies auch für Delfine schwierig und könnte den massiven Beifang erklären.
Die stärker reflektierende Netzmodifikation dient als „Proof of Concept“: Netze können für Delfine sichtbarer gemacht werden. Für eine praktikable Verbesserung in der modernen Fischerei müssen jedoch weitere Aspekte berücksichtigt werden.
Schlussfolgerungen
Da die delfinische Echoortung ein hochkomplexes, wissenschaftlich noch nicht restlos verstandenes System ist, lässt sie sich nicht vollständig nachahmen. Dennoch zeigt diese Arbeit, dass Fischernetze, insbesondere Monofilament-Kiemennetze, durch Echolokation wesentlich schlechter erkennbar sind als andere Objekte. Es kann abgeleitet werden, dass dies vermutlich auch bei Delfinen der Fall ist.
Es konnte zudem gezeigt werden, dass durch gezielte Modifikationen an den Netzen ihre Erkennbarkeit für Delfine verbessert werden kann. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, der vertiefter erforscht und schnellstmöglich umgesetzt werden sollte, um den Beifang von Delfinen zukünftig weiter zu reduzieren und so zur Stabilität der marinen Ökosysteme beizutragen.
Würdigung durch den Experten
Hansjürg Glur
Die Arbeit von Ilena Teng befasst sich mit einem Nachbau der Echolokation von Delfinen. In einer Simulationsbox werden Ultraschallsignale in die Luft ausgesendet und die Echos verschiedener Testmaterialien inkl. Fischernetzen empfangen und methodisch geschickt miteinander verglichen. Dabei wird gezeigt, dass die Netze nur sehr schwache Echos erzeugen. Weiter wird plausibel dargelegt, dass diese im Wasser gar noch schwächer sind und daher die Netze für Delfine nicht sichtbar sind. Durch das Anbringen von kleinen Kugeln kann im Versuch das Echo der Netze deutlich erhöht werden.
Prädikat:
Bronze
Kantonsschule Hohe Promenade , Zürich
Lehrerin: Jacqueline Egger