Der Zustand von Gewässern spiegelt sich in einer Vielzahl von messbaren Parametern wider. Die allgemeine Überwachung solcher Messgrößen ist die Grundlage für jegliches Umweltmonitoring. Langfristige Änderungen der Parameter weisen darauf hin, dass sich der Zustand des Gewässers grundlegend verändert. Kurzfristige Veränderungen sind häufig im Zusammenhang mit Extremsituationen zu finden. Ein bekanntes Beispiel für solch eine Extremsituation ist das Fischsterben in der Oder, das aufgrund von Änderungen im Salzgehaltes ausgelöst wurde. Auch die Flutkatastrophe im Ahrtal löste eine Vielzahl von Folgeproblemen aus: Fäkalien, Öl und Tierkadaver im Wasser führten zu einer akuten Seuchengefahr, bei gleichzeitigem Totalausfall der Infrastruktur.
Durch die Messung zentraler Parameter wie Salzgehalt, Sauerstoff und pH-Wert werden sowohl langfristige als auch kurzfristige Veränderungen des Gewässerzustands sichtbar. Dies ermöglicht es, frühzeitig Gegenmaßnahmen einzuleiten, die schädlichen Auswirkungen zu minimieren oder sogar abzuwenden. Hier setzt die Forschung des Zukunftslabors Wasser an: Die Wissenschaftler*innen entwickeln prototypische Sensorknoten, die autark und über weite Distanzen verteilt Informationen zur Wasserqualität und zum Wasserpegel erfassen können.
Funktion von Sensorknoten
Sensorknoten setzen sich aus mehreren Sensoren zusammen, die unterschiedliche Messungen durchführen können. Sie versenden die erfassten Daten per Funk und werden über Batterien oder Akkus mit Strom versorgt. Die Wissenschaftler*innen des Zukunftslabors haben prototypische Sensorknoten entwickelt, die über die Funktechnologie LoRa (Long Range) kommunizieren. Die Vorteile von LoRa sind ein niedriger Energieverbrauch mit entsprechend hohen Batterie- oder Akkulaufzeiten sowie eine große Reichweite. So können die Sensoren über weite Distanzen verteilt Informationen erfassen und sie an eine zentrale Verarbeitungseinheit (in diesem Fall einen Mikrocontroller) übertragen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass sich die Sensoren und die Verarbeitungseinheit „sehen“. Sie können durch Gegenstände oder natürliche Elemente wie Berge getrennt sein.
Wir führten erste Tests durch, um die Funktionsfähigkeit der Sensorknoten zu prüfen. Die Tests zeigten, dass sich die Sensorknoten selbst vernetzen, sobald sie ein gemeinsames Netzwerk finden, das ihnen zugewiesen ist. Wir prüften auch, wie gut die Kommunikationsschnittstellen funktionieren und über welche Distanz die Sensoren verteilt werden können.
Neben klassischen Wassersensoren, die Temperatur, Luftfeuchte oder den Wasserstand messen, verwenden die Wissenschaftler*innen auch Referenzierungssensoren. Diese Sensoren lokalisieren die Sensorknoten und erlauben es, eventuelle Bewegungen zu identifizieren. Dadurch wird es z. B. möglich, Sensoren auf Schiffen oder beweglichen Seezeichen einzusetzen, um dort Messungen durchzuführen. Darüber hinaus können auch Diebstähle erkannt werden, wenn sich die Sensoren plötzlich an einem anderen Ort befinden.
Modularer Aufbau
Die Wissenschaftler*innen verfolgen das Ziel, die Sensorknoten auch für nicht wissenschaftliche Zwecke auszubauen. Zum Beispiel könnten Kommunen und Landkreise die Sensorknoten zum Hochwassermanagement einsetzen oder Naturschutzverbände zur Prüfung der Wasserqualität. Deshalb testen die Wissenschaftler*innen Hardwarekomponenten, die im üblichen Elektronikfachhandel erhältlich sind und mit einer einfachen Bedienungsanleitung schnell installiert werden können. Zur Stromversorgung der Sensoren verwenden sie z. B. Akkus aus Motorrädern.
Die Wissenschaftler*innen planen, die Komponenten (z. B. Mikrocontroller, Batterie, Sendeeinheit, Netzteil) auf einer zentralen Hardwareplattform zusammenzuführen. Benutzer*innen sollen je nach Anwendungsfall Komponenten hinzufügen oder entfernen können.
Ausblick 2024
Die Wissenschaftler*innen werden die Sensorknoten rund um den Jadebusen (Nordsee) an Schöpfwerken, Schleusen und Sielen einbauen, um sie mit Echtdaten zu testen. Während des Winters sollen kleine Extremereignisse wie Sturmfluten oder Eisgang und deren Auswirkungen auf die Sensoren untersucht werden. Des Weiteren werden die Wissenschaftler*innen die Daten- und Übertragungseffizienz der Sensorknoten analysieren und ggf. Optimierungsansätze ableiten. Außerdem werden sie sogenannte Meshing-Algorithmen verwenden, die sicherstellen sollen, dass sich die Knoten schnell und energieeffizient finden.
Darüber hinaus ist geplant, die Kommunikationsschnittstellen zwischen den Sensoren zu standardisieren und zu erweitern. Zudem werden die Wissenschaftler*innen im Sinne des Ruggedized Design prüfen, wie die Sensorknoten gestaltet sein müssen, damit sie möglichst lange standhalten – z. B. auch bei Sturmfluten oder im Kontakt mit Eisschollen.
Ein weiteres Forschungsthema ist die Citizen Science, bei der Bürger*innen Informationen sammeln (z. B. Fotos von Überschwemmungen) und in eine Datenbank überführen. Solch eine Datenbank werden die Wissenschaftler*innen aufbauen. Eine große Herausforderung besteht darin, die unterschiedlichen Datenquellen (Fotos, Videos, Texte) standardisiert zusammenzuführen und nutzbar zu machen.
