Schwimmende Sensoren zur Überwachung des Klimawandels

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Schwimmende Sensorpakete, die von Löwenzahnsamen inspiriert sind, können leicht im Wind verstreut werden. Sie helfen dabei, wichtige Indikatoren für den Klimawandel, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umweltbedingungen, über großen landwirtschaftlichen Flächen oder Wäldern zu überwachen. Durch die Erfassung dieser Daten können sie auch wertvolle Informationen für andere Anwendungen liefern, beispielsweise für die Präzisionslandwirtschaft.

Die Neuheit wurde von einem Team der University of Washington entwickelt: Das Sensorpaket ist etwa 30-mal schwerer als ein Löwenzahnsamen, der etwa 1 Milligramm wiegt. Trotzdem kann es nach dem Abschuss durch Drohnen bei einer leichten Brise bis zu 100 Meter weit fliegen. Auf dem Boden angekommen, wird das Paket, das mehr als vier Sensoren enthalten kann, durch Solarzellen mit Strom versorgt. Nach Angaben seiner Erfinder kann es sich in einem Umkreis von bis zu 60 Meter verbreiten.

„Unser Prototyp liefert Hinweise darauf, dass es möglich ist, mit nur einer Drohne Tausende dieser Geräte auf einmal freizusetzen. Sie werden vom Wind ein wenig anders transportiert, sodass im Grunde ein Netzwerk aus tausend Geräten entsteht“, erklärt Shyam Gollakota, Urheber und Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science and Engineering an der University of Washington. „Das ist großartig und führt im Bereich der Sensoren zu bedeutenden Veränderungen, denn es würde Monate dauern, so viele Geräte manuell zu installieren“, fügt er hinzu.

Der erste Schritt der Forschung bestand darin, eine Form zu entwickeln, mit der das Sensorpaket schneller auf den Boden fällt. 75 Entwürfe wurden getestet, um den einen zu finden, der in diesem Zusammenhang die höchste Geschwindigkeit erzeugt. „Die Strukturen von Löwenzahnsamen haben einen zentralen Punkt und kleine Borsten. Wir haben eine 2D-Projektion davon gemacht, um unseren Grundentwurf zu erstellen“, erklärt Vikram Iyer, ein weiterer Urheber der Erfindung und Assistenzprofessor an derselben Einrichtung. „Als wir das Gewicht erhöhten, begannen sich die Borsten nach innen zu biegen. Wir fügten eine Ringstruktur hinzu, um das Paket steifer zu machen und eine größere Fläche zu erzeugen. So konnten wir den Zusammenfall verlangsamen“, erklärt der Forscher.

Für die Stromversorgung der Elektronik wurden photovoltaische Einheiten verwendet. In 95 % der Fälle landeten die Pakete mit den Solarzellen auf der Oberseite. Die Form und die Struktur des Päckchens bewirken, dass es sich ständig dreht und in dieser Position fällt – ähnlich wie bei Löwenzahnsamen.

Das System ist nicht darauf ausgelegt, Energie zu speichern. Das bedeutet, dass die Sensoren nach Sonnenuntergang ihre Arbeit einstellen. Wenn die Sonne am nächsten Morgen wieder aufgeht, verbraucht das System etwas Energie, um neu zu starten. „Die Sensoren überprüfen, ob alles ordnungsgemäß funktioniert, bevor sie mit der Ausführung des Codes beginnen. Das passiert auch, wenn wir unser Mobiltelefon oder unseren Laptop einschalten. Der Unterschied ist, dass sie auf eine Batterie angewiesen sind“, erklärt Iyer. Das Paket enthält einen Kondensator, der über Nacht eine kleine Ladung speichert.

Um Sensordaten an die Forscher zu versenden, verwenden diese Geräte die Rückstreumethode. Dabei werden die Informationen durch eine Reflexion der gesendeten Signale übermittelt.

Um zu messen, wie weit die Sensoren vom Wind getragen würden, führten die Forscher Tests durch. Sie warfen die Geräte aus verschiedenen Höhen ab – entweder manuell oder per Drohne. „Wir ahmen die Biologie nach, die Variation als Besonderheit und nicht als Problem betrachtet“, kommentiert Thomas Daniel, ein weiterer Urheber der Erfindung und Biologieprofessor an der University of Washington. „Pflanzen können nicht garantieren, dass der Ort, an dem sie in diesem Jahr gewachsen sind, auch in der nächsten Saison gut sein wird. Deshalb reisen manche Samen weiter, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern“, so der Professor.

Die Forscher untersuchen auch, wie es möglich wäre, das System biologisch abbaubar zu gestalten. „Das ist nur der erste Schritt. Es gibt noch viele andere Wege, die wir einschlagen können, z. B. die Entwicklung von Lösungen in großem Maßstab oder die Kreation von Geräten, die ihre Form beim Fallen verändern können. Sogar etwas mobilere Geräte, die sich am Boden bewegen können, um näher an interessante Gebiete heranzukommen, wären denkbar“, fügt Iyer hinzu.

Die Forschung wurde durch den Moore Inventor Fellow Award, die National Science Foundation und einen Zuschuss des US Air Force Office of Scientific Research finanziert. Einzelheiten zu den Forschungsergebnissen wurden am 16. März in Nature veröffentlicht.

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