Funkende Miniballons Frühwarnung vor extremen Wetterereignissen und Umweltkatastrophen

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Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Drahtlos vernetzte Miniballons sollen helfen, Wetterextreme und Umweltkatastrophen rechtzeitig vorherzusagen. Die biologisch abbaubaren Ballons verteilen sich in der Atmosphäre und senden während ihres Fluges Sensordaten.

Extreme Wetterereignisse, Umweltkatastrophen oder die Luftqualität überwachen: Schnelle und präzise Vorhersagen können Leben retten und Menschen rechtzeitig vor Gefahren warnen. Die Forscher nutzen dazu Miniballons, die mit atmosphärischen Tracern und der drahtlosen Übertragungstechnik Mioty ausgestattet sind. Ziel ist es, atmosphärische Daten effizient zu erfassen und auszuwerten. So werden präzise Vorhersagen über den Transport von Partikeln in der Atmosphäre möglich.

Für atmosphärische Strömungen ist der großräumige Transport von Schadstoffen und Frachten für Gebiete über 50 km gut untersucht und wird durch Messstationen und Satellitenbeobachtungen kontinuierlich überwacht. Das Wissen über kleinere Gebiete in der Größenordnung von 100 m bis 50 km und die damit verbundenen Konzentrationsschwankungen ist dagegen derzeit noch begrenzt. Hier setzt das Projekt SMARTIES an. Das Akronym steht für SMART Integrated Electronic Sensors for Quantifying Atmospheric Transport and Mixing.

Atmosphärische Daten auf kleinem Raum sammeln

SMARTIES sind kleine und sehr leichte Messinstrumente, die aus Umweltsensoren und einer drahtlosen Kommunikationseinheit bestehen. Mithilfe von mehreren kleinen, biologisch abbaubaren Ballons verteilen sie sich in der Atmosphäre. Während des Fluges übertragen sie Sensordaten an ein Netz von Basisstationen. „Sowohl die Datenübertragung als auch die Ortung der Ballons funktioniert mit der von Fraunhofer IIS entwickelten Mioty-Technologie. Dadurch sind sie wesentlich energieeffizienter und leichter skalierbar als bisherige Lösungen“, erklärt Prof. Alexander Martin, Institutsleiter des Fraunhofer IIS. Dank der Kombination ist es erstmals möglich, sehr viele atmosphärische Daten auf kleinem Raum zu sammeln. Darunter zählen zum Beispiel Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit.

Drahtlose Kommunikation mit Mioty

Die Mioty-Technik spielt in diesem Projekt eine zentrale Rolle. Mioty LPWAN (Low-Power Wide Area Network) basiert auf einem PHY (Physical Layer) und MAC (Medium Access Control) Ansatz, der als Telegram Splitting bezeichnet wird und in einem offenen Standard definiert ist.

Mioty ist für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) konzipiert. Die Funktechnik zeichnet sich durch eine hohe Energieeffizienz und die Fähigkeit aus, Daten von einer großen Anzahl von Sensoren gleichzeitig zu verarbeiten. So können SMARTIES Daten von bis zu mehreren tausend Sensoren sammeln und an eine einzige Basisstation übertragen. Diese Basisstation fungiert als zentrale Sammelstelle und leitet die Daten zur weiteren Analyse an Bodenstationen weiter.

Präzise Vorhersagen werden möglich

Ein Hauptanwendungsgebiet von SMARTIES ist die genaue Erfassung und Vorhersage von atmosphärischen Transportprozessen. Die gewonnenen Daten können in Vorhersagemodelle integriert werden, um den Transport von Partikeln wie Staub, Pollen oder Schadstoffen besser zu verstehen und vorherzusagen.

„Anhand dieser Daten können wir neue Modelle für das Strömungsverhalten in lokalen Gebieten entwickeln“, erläutert Dr. Mohsen Bagheri vom MPI-DS die Inhalte des Projektes. Dadurch werden präzise Vorhersagen der Verteilung von Partikeln möglich. „Durch SMARTIES können wir dann über diese neuen Modelle bei akuten gefährlichen Ereignissen Menschen durch genauere Vorhersagen besser warnen“, ergänzt Prof. Eberhard Bodenschatz, Geschäftsführender Direktor des MPI-DS.

Das Projekt SMARTIES ist Teil des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms und wird in Zusammenarbeit mit dem MPI-DS unter der Teilprojektleitung von Dr. Mohsen Bagheri und dem Fraunhofer IIS unter der Teilprojektleitung von Dipl.-Ing. Ferdinand Kemeth durchgeführt. Das Projekt basiert unter anderem auf atmosphärischen Messungen an der Umweltforschungsstation „Schneefernerhaus“ auf der Zugspitze. Am Ende des Projektes soll das System in mehreren Messkampagnen, unter anderem in Pallastunturi, Finnland, getestet werden. (heh)

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