BRIESE-Preis würdigt KI-Forschung zu Umweltrisiken des Tiefseebergbaus
Dr. Iason-Zois Gazis vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel hat den BRIESE-Preis für Meeresforschung 2025 erhalten. Die Jury würdigt damit seine herausragende Dissertation zur hochaufgelösten Kartierung von Manganknollen und zur Überwachung von Sedimentwolken beim Tiefseebergbau. Der mit 5.000 Euro dotierte Preis wird von der Reederei Briese Schifffahrts GmbH & Co. KG gestiftet und vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) wissenschaftlich betreut.
Im Zuge der globalen Energiewende rücken mineralische Rohstoffe aus der Tiefsee zunehmend in den Fokus. Polymetallische Knollen – auch Manganknollen genannt – enthalten Metalle wie Mangan, Nickel, Kobalt und Kupfer, die für Batterien und andere Schlüsseltechnologien benötigt werden. Gleichzeitig sind gehören sie zu empfindlichen Ökosystemen in mehreren tausend Metern Wassertiefe, die sich bislang ungestört entwickeln konnten.
Ihre Verbreitung variiert jedoch stark, was bislang nur unzureichend verstanden ist. Genau hier setzt die Promotionsarbeit von Iason Gazis an. Er entwickelte neuartige Methoden, um die räumliche Verteilung dieser metallhaltigen Knollen zu erfassen und die Umweltauswirkungen eines möglichen Abbaus besser zu verstehen.
Grundlage seiner Arbeit waren umfangreiche Datensätze, die im Rahmen mehrerer vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderter Expeditionen mit deutschen Forschungsschiffen im Pazifik erhoben wurden. Von Bord aus kamen moderne Messsysteme, autonome Unterwasserfahrzeuge und akustische Sensoren zum Einsatz, um den Meeresboden in mehreren tausend Metern Wassertiefe zu vermessen. Ein Schwerpunkt lag dabei auf Untersuchungen in der Clarion-Clipperton-Zone im Ostpazifik, einem der weltweit wichtigsten Erkundungsgebiete für Manganknollen.
Mit Machine Learning zu präzisen Karten der Knollenverteilung
Für die Kartierung der Knollen kombinierte Gazis Daten autonomer Unterwasserfahrzeuge mit hydroakustischen Messungen und hochaufgelösten Fotomosaiken des Meeresbodens, die während dieser Expeditionen erhoben wurden. Mithilfe moderner Verfahren des maschinellen Lernens konnte er diese umfangreichen Datensätze so auswerten, dass detaillierte Karten der Knollenverteilung im Metermaßstab entstanden. Die Modelle ermöglichen es, die tatsächliche Verteilung der Knollen auch in bislang nicht vollständig erfassten Bereichen realistisch abzubilden. Die Analysen zeigen, dass die Vorkommen der Knollen eng mit bestimmten Merkmalen in der Beschaffenheit und Struktur des Meeresbodens zusammenhängen.
Neben der reinen Kartierung untersuchte Gazis auch systematisch die methodischen Grenzen maschineller Lernverfahren in der marinen Geowissenschaft. Er entwickelte Ansätze, um Fehlinterpretationen zu vermeiden, etwa wenn Modelle auf neue Gebiete übertragen werden. Damit leistet er nicht nur einen Beitrag zur Tiefsee-Forschung, sondern auch zur Weiterentwicklung datengetriebener Auswertungsmethoden in den Umweltwissenschaften.
Sedimentwolken beim Tiefseebergbau in Echtzeit überwacht
Ein zweiter Schwerpunkt der Dissertation lag auf der Untersuchung von Sedimentwolken, die durch sogenannte Kollektorfahrzeuge entstehen. Solche Sedimentfahnen gelten als einer der zentralen Faktoren für mögliche ökologische Schäden durch Tiefseebergbau-Aktivitäten. Bei einer gezielten Messkampagne in der Clarion-Clipperton-Zone konnte eine für den Knollenabbau typische Sedimentwolke in situ und in Echtzeit überwacht werden, die ein industrieller Prototyp eines Knollen-Kollektors bei einem Testeinsatz am Meeresboden erzeugte. Von Bord des Forschungsschiffes aus wurden die dabei entstehenden Sedimentwolken mit hydroakustischen und optischen Messsystemen überwacht.
Gazis‘ Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für die Entwicklung von Umweltstandards und Regularien durch die Internationale Meeresbodenbehörde ISA. Sie zeigen, dass sich die Sedimentfahne zunächst als dichte Trübeströmung senkrecht zu den Abbauspuren ausbreitet und nur wenig mit dem umgebenden Wasser vermischt. Je weiter sich die Sedimentwolke vom Abbauort entfernte, desto stärker nahm die Partikelmenge im Wasser ab. In einigen Kilometern Entfernung wurden wieder nahezu natürliche Hintergrundwerte der Tiefsee gemessen.
Zudem konnte Gazis erstmals direkt vor Ort beobachten, dass sich die feinen Sedimentpartikel zu größeren Flocken zusammenschließen. Dadurch werden sie schwerer und sinken schneller wieder zu Boden. Dieser Prozess war in bisherigen Modellen kaum berücksichtigt worden. Er kann dazu führen, dass sich ein größerer Teil des aufgewirbelten Materials in unmittelbarer Nähe des Abbaugebiets wieder ablagert – mit entsprechend starken lokalen Auswirkungen auf die dort lebenden Organismen.
Forschungsfahrten profitieren von technologischer Innovation
Die Ergebnisse von Gazis dienen auch dazu, dass zukünftige Messkampagnen in der Tiefsee effizienter und effektiver durchgeführt werden können. „Die ausgezeichnete Arbeit von Iason Gazis zeigt eindrucksvoll, wie stark seegestützte Forschung von technologischer Innovation profitiert“, sagt Klaus Küper, Leiter der Abteilung Forschungsschifffahrt der Reederei Briese. „Ohne leistungsfähige Forschungsschiffe, präzise Messtechnik und erfahrene Crews wären solche Datensätze nicht möglich. Es freut uns sehr, mit dem BRIESE-Preis Forschung zu würdigen, die sowohl wissenschaftliche Exzellenz als auch gesellschaftliche Verantwortung vereint“, so Küper.
Dr. Iason-Zois Gazis (Jahrgang 1990) absolvierte seinen Bachelorstudiengang „Marine Sciences“ und seinen Masterstudiengang „Integrated Coastal Management“ an der Universität der Ägäis und fertigte seine Promotion am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel sowie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel an. Seit Januar 2025 ist er Postdoc in der Arbeitsgruppe „Deep-Sea Monitoring“ am GEOMAR. Im Rahmen seiner Promotion nahm er an vier Expeditionen teil. Bis heute hat er mehr als 40 Datenpublikationen von den Tiefseeexpeditionen veröffentlicht.
Der BRIESE-Preis für Meeresforschung wird von der Reederei Briese Schiffahrts GmbH & Co. KG gestiftet, die für die Bereederung der mittelgroßen deutschen Forschungsschiffe, wie z. B. die Elisabeth Mann Borgese und die Alkor sowie der größeren Forschungsschiffe Meteor, Maria S. Merian und Sonne zuständig ist. Das IOW betreut die Preisvergabe wissenschaftlich. Seit 2010 werden jährlich herausragende Promotionen in der Meeresforschung prämiert, deren Ergebnisse in engem Zusammenhang mit dem Einsatz von Forschungsschiffen und der Verwendung und Entwicklung von Technik und / oder Datenerhebung auf See stehen.