Sonar bietet die Möglichkeit, Objekte unter Wasser durch Schall zu orten und zu visualisieren – dies geschieht nach dem Echoprinzip. Der Begriff ist ein englisches Akronym und bedeutet „Sound Navigation and Ranging“, also Schallnavigation und Entfernungsbestimmung. Bei der Nutzung dieses Ortungssystems werden Schallwellen im Raum ausgesendet und wieder empfangen. Die präzise Auswertung dieses Echos ermöglicht eine sichere Navigation unter Wasser. So können Hindernisse wie Gebirge, Wracks oder andere Schiffe frühzeitig ausgemacht und umfahren werden. Die Ortungsmöglichkeit mittels Wasserschall wurde bereits im Jahr 1490 von Leonardo da Vinci erstmals erwähnt, die konsequente Entwicklung dieser Technologie wurde jedoch erst Jahrhunderte später im militärischen Kontext vorangetrieben.
Funktion von Schall-Navigation
Sonar sendet Schallimpulse aus und misst die Zeitspanne, bis das reflektierte Echo wieder beim Empfänger eintrifft. In flachem Gewässer werden diese Schallwellen schneller reflektiert als in der Tiefsee. Je tiefer das Wasser, desto mehr Zeit benötigt das Signal für den Rückweg. Durch die Analyse dieser Laufzeit lässt sich eine exakte Entfernungsmessung durchführen. Grundsätzlich wird bei der Messtechnik zwischen aktivem und passivem Sonar unterschieden. Bereits ab 1915 wurde intensiv an der Verfeinerung gearbeitet; während frühe Modelle Feinde auf etwa 1.500 Meter orten konnten, liefern moderne Systeme heute hochauflösende Bilder des Meeresgrundes.
Aktive Schallnavigation
Bei der aktiven Schallnavigation werden energiereiche Signale (Pings) aktiv in das Wasser gesendet. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass das Senden der Signale die eigene Position preisgeben kann. Die ausgesendeten Signale sind oft so leistungsstark, dass sie bei geringer Entfernung sogar mit bloßen Ohren gehört werden können, bieten dafür aber eine enorme Reichweite und Detailgenauigkeit.
Das Echolot, eine spezialisierte Form des aktiven Sonars, findet heute nicht mehr nur auf Kriegsschiffen Verwendung. Auch die Wissenschaft nutzt diese Technik, um die Beschaffenheit des Meeresbodens zu analysieren. Forscher setzen zudem oft auf das Side-Scan-Sonar, welches fächerförmige Impulse seitlich vom Schiff aussendet, um fotorealistische Abbilder des Grundes zu erstellen. In der Hochseefischerei werden Sonar-Monitore genutzt, um Fischschwärme präzise aufzuspüren und deren Tiefe sowie Größe zu bestimmen.
Passive Schallnavigation
Das passive Sonar dient dazu, akustische Signale und Geräusche unter Wasser lediglich aufzufangen, ohne selbst Signale auszusenden. Das Herzstück ist hierbei das Hydrophon – ein hochempfindliches Unterwasser-Mikrofon. Da dieses Verfahren lautlos arbeitet, bleibt der Anwender für andere Ortungssysteme unsichtbar.
Passivsonar wird überwiegend in U-Booten eingesetzt, um unentdeckt zu bleiben. Die Navigation ist hierbei komplexer als beim aktiven System. Es werden umfangreiche Hydrophon-Anordnungen benötigt, um die Richtung einer Geräuschquelle zu bestimmen und sie von Hintergrundgeräuschen (wie Wellen oder Meerestieren) zu isolieren. Mithilfe moderner Algorithmen, welche die Eigenbewegung des Schiffes und die Signalverschiebung auswerten, kann die Entfernung des Ziels näherungsweise berechnet werden.
Nutzung von Sonar auf U-Booten
Anfang des 20. Jahrhunderts wurde das erste Echolot patentiert. Mit diesem Gerät konnten elektroakustische Messungen der Wassertiefe direkt aus dem Inneren eines Schiffes durchgeführt werden. Der wesentliche Unterschied zwischen einem klassischen Echolot und einem Sonar-System besteht darin, dass Echolote überwiegend vertikal (nach unten zum Boden) und Sonare meist horizontal (zur Umgebungsortung) eingesetzt werden.
Während des Ersten Weltkriegs wurden aktive Sonare entwickelt, um feindliche U-Boote oder Atom-U-Boote (in späteren Epochen) aufzuspüren. Aufgrund der damaligen technischen Komplexität kamen im aktiven Dienst jedoch überwiegend verschiedene Versionen passiver Anlagen zum Einsatz, um feindliche Schraubengeräusche zu orten.
Entwicklung der Sonar-Technik nach dem Ersten Weltkrieg
Im Zweiten Weltkrieg gehörten aktive Sonar-Anlagen bereits zum Standard auf Unterwasserbooten. Diese sendeten kurze Impulse im Frequenzbereich zwischen 15 und 40 kHz aus. Die Herausforderung damals: Eigengeräusche des Schiffes oder nahe Explosionen von Wasserbomben erschwerten die Reichweite und Genauigkeit der Messung erheblich. Zudem waren viele frühe Anlagen nicht schwenkbar, was die Suche zeitaufwendig machte.
Veraltete Technologien wie das Searchlight-Sonar (Suchscheinwerfer-Prinzip), bei dem der Sender mechanisch in eine Richtung gedreht werden muss, wurden längst durch moderne Panorama-Sonare ersetzt. Heutige Anlagen verwenden Kreis- oder Teilkreisanordnungen von Sensoren, die eine Überwachung in alle Richtungen gleichzeitig ermöglichen. Dadurch kann ein riesiges Gebiet detektiert werden, ohne wertvolle Zeit durch mechanisches Schwenken zu verlieren.
Aufgrund der Signallaufzeit im Wasser ist die aktive Ortung im Vergleich zum Radar (welches mit elektromagnetischen Wellen arbeitet) langsamer. Daher wird Sonar gezielt dort eingesetzt, wo Licht und Radar versagen: in den dunklen Tiefen der Weltmeere.
Einsatzgebiete moderner aktiver Sonarsysteme
Aktive Sonarsysteme sind heute das Rückgrat der U-Jagd. Dabei werden feindliche Objekte gezielt angepingt und verfolgt. Während nach dem Zweiten Weltkrieg vor allem das Sektor-Sonar dominierte, sind heutige Systeme in der Lage, digitale 3D-Karten der Umgebung in Echtzeit zu erstellen.
Verschiedene Sonartypen im Überblick
Die modernen Sonarmodelle unterscheiden sich stark durch ihren Aufbau und Verwendungszweck:
- HMS (Hull Mounted Sonar): Dieses Modell ist fest am Rumpf des Schiffes montiert und bietet eine hervorragende Sicht nach vorne.
- TAS (Towed Array Sonar): Ein Schleppsonar, das an einem kilometerlangen Kabel hinter dem Schiff hergezogen wird, um U-Boote weit außerhalb der eigenen Störgeräusche zu orten.
- VDS (Variable Depth Sonar): Ein kompaktes Schleppgerät, das in unterschiedliche Tiefenschichten abgesenkt werden kann, um Temperatur-Sprungschichten zu überwinden.
- FAS (Flank Array Sonar): Diese Seitenantennen werden an den Flanken des Rumpfes montiert und arbeiten meist passiv für eine weitreichende Überwachung.
- LFAS (Low Frequency Active Sonar): Diese Systeme nutzen tiefe Frequenzen (100 Hz bis 3 kHz) für extrem große Reichweiten.
- Sonoboje: Diese Geräte werden von Flugzeugen oder Hubschraubern abgeworfen. Sie sinken in eine definierte Tiefe, empfangen Signale und leiten diese per Funk an die Crew in der Luft weiter.
Schädigung von Meerestieren
Ein kritischer Aspekt der militärischen Nutzung ist die Auswirkung auf die Meeresfauna. Besonders niederfrequente Sonarsignale können Meerestiere wie Wale und Delfine, die selbst Schall zur Orientierung nutzen, massiv stören. Die intensiven Geräusche können zu Panik, Orientierungslosigkeit und im schlimmsten Fall zu körperlichen Schäden führen. Daher gibt es zunehmend Bestrebungen, Schutzgebiete auszuweisen und die Intensität der Signale in ökologisch sensiblen Zonen zu begrenzen.
