SMARTIES - SMART Integrated Electronic Sensors for quantifying atmospheric transport and mixing

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SMARTIES

"SMARTIES" steht für "SMART Integrated Electronic Sensors for quantifying atmospheric transport and mixing", zu deutsch "Intelligente Integrierte Elektronische Sensoren für die Messung von Atmosphärischer Vermischung". In diesem Forschungsprojekt testet das Fraunhofer IIS zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) kleine Wetterballons, die mit der drahtlosen Übertragungstechnologie mioty® ausgestattet sind. Ziel ist es, ein System intelligenter atmosphärischer Tracer, die sogenannten SMARTIES zu entwickeln. Damit können die atmosphärischen Daten gesammelt und verarbeitet werden, um so Störungen in der Luft zu messen und dadurch beispielsweise Vorhersagemodelle für Extremwetterereignissen oder Umweltkatastrophen zu verbessern.

Damit kann die Verbreitung von Staubteilchen oder Partikeln gemessen werden, die bei Extremwetterereignissen oder Umweltkatastrophen entstehen. Durch eine rechtzeitige Voraussage der Verbreitung können so geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Ausgangssituation

Naturkatastrophen wie Vulkanausbrüche, Flutkatastrophen oder Extremwetterereignisse kommen aufgrund des Klimawandels immer häufiger vor. Auch menschengemachte Umweltkatastrophen, wie beispielsweise das Austreten von giftigen Gasen, belasten die Umwelt und die im Umkreis lebenden Menschen. Um die Folgen solcher Ereignisse zu minimieren, ist eine zuverlässige und schnelle Warnung essenziell. Gleiches gilt auch für die Vorhersage von Pollenflug oder der Verteilung von Abgasen bei verschiedenen Wetterlagen.

Atmosphärische Daten sind dabei für die Vorhersage und die richtige Einschätzung und Reaktion auf Umweltkatastrophen von entscheidender Bedeutung. Die Generierung dieser Daten ist sehr aufwändig und wird hauptsächlich mit Flugzeugen oder Wetterballons durchgeführt. Darüber hinaus werden diese Daten langfristig und für einen großen geografischen Bereich erhoben. Herkömmliche Wetterballons steigend aufgrund ihrer Größe oft sehr schnell und verbringen so nur wenig Zeit in dem für lokale Messungen relevanten Bereich. Dies erschwert die situative Vorhersage bei akuten Ereignissen und erfordert ein neues System, das präzise Vorhersagen der atmosphärischen Strömungen auf lokaler Ebene ermöglicht.

 

Lösung

SMARTIES sind miniaturisierte Messinstrumente, die aus Umweltsensoren und einer drahtlosen Kommunikationseinheit bestehen. Beides wird in ein Flugobjekt integriert. Für die Messungen steigen mehrere dieser Sensoren in der Atmosphäre auf eine Höhe von bis zu anderthalb Kilometern auf. Während des Fluges übertragen sie Sensordaten über mioty® mit hoher Energieeffizienz und Skalierbarkeit an ein Netz von Basisstationen zur Echtzeit-Ortung und Datenanalyse. Die Lokalisierung erfolgt direkt auf Basis der Kommunikationssignale. Dies ermöglicht eine zuverlässige Abdeckung eines großen Gebiets, besitzt einen niedrigen Stromverbrauch und weist eine hohe Sicherheit der übertragenden Daten auf.

Das Projekt SMARTIES wird unter der Leitung des Fraunhofer IIS zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Dynmaik und Selbstorganisation durchgeführt. Es findet im Rahmen des Fraunhofer-Max-Planck-Kooperationsprogramms statt. Dieses Programm hat die Zusammenarbeit von angewandter Forschung durch die Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und Grundlagenforschung durch die Institute der Max-Planck-Gesellschaft zum Ziel und bringt so die Qualität der Wissenschaft in Deutschland weiter.

 

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat die Kommunikationstechnologie mioty® erfunden und weiterentwickelt. Im Rahmen des Projekts SMARTIES wird unter der Leitung des Fraunhofer IIS durch Prof. Dr.-Ing. Jörg Robert und durch Dipl.-Ing. Ferdinand Kemeth eine Lokalisierungslösung auf Basis der Funksignale realisiert. Hierbei wird vor allem auf die Expertise der Bereiche der Lokalisierungs- und Vernetzungs- und Kommunikationstechnologien des Instituts aufgebaut.

 

 

Das Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation bietet Expertise durch die Grundlagenforschung, unter anderem in den Bereichen Fluidphysik und Biokomplexität. Die Wissenschaftliche Koordination für SMARTIES obliegt Prof. Dr. Dr. h.c. Eberhard Bodenschatz, die Zuständigkeit für die atmosphärischen Messungen unterligt Dr.  Gholamhossein (Mohsen) Bagheri.

"Wir können durch die Datensammlung und -auswertung des MPI-DS wichtige Aussagen treffen, um so zuverlässiger vor Umweltkatastrophen zu warnen." 

- Ferdinand Kemeth, Fraunhofer IIS

"Dank der Funktechnologie des Fraunhofer IIS können die Wetterballons zuverlässig und mit minimaler Energie lokalisiert werden."

- Prof. Dr. Dr. Eberhard Bodenschatz, MPI-DS

Projektinhalte

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Ziel des Projekts ist es, die lokale Erfassung von atmosphärischen Daten zu optimieren und so auf besondere Ereignisse wie Umweltkatastrophen, die Verbreitung von Staub oder Pollen sowie auch unfallbedingte Verunreinigungen der Atmosphäre frühzeitig reagieren zu können. Dadurch kann die Vorhersage von Wetterereignissen und Naturkatastrophen verbessert und so die Sicherheit von Menschen erhöht werden. 

Die vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation entwickelten Ballons sind aus biologisch abbaubaren Materialien gefertigt. Die Datenaufnahme mit mioty® erfolgt energieeffizient und ohne zusätzliche Batterie. Das macht aus dem Projekt SMARTIES eine nachhaltigere Alternative zu den herkömmlichen Möglichkeiten des atmosphärischen Monitorings.

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Mit SMARTIES bezeichnet man miniaturisierte Messinstrumente, die aus Umweltsensoren und einer drahtlosen Kommunikationseinheit bestehen. Beides wurde in ein Flugobjekt integriert. Während des Fluges übertragen sie Sensordaten über mioty® an ein Netz von Basisstationen zur Echtzeit-Ortung und Datenanalyse mit hoher Energieeffizienz und Skalierbarkeit. Die Lokalisierung erfolgt ebenfalls mit der drahtlosen LPWAN-Technologie mioty® des Fraunhofer IIS. So ist kein zusätzliches Funkmodul für die Lokalisierung nötig, wodurch das Gewicht des Flugobjekts minimiert werden kann. Außerdem sind die mioty® minituarisiert.

Weitere Vorteile des mioty® Funkprotokolls sind die Zuverlässige Abdeckung großer Gelände, ein niedriger Stromverbrauch und die hohe Sicherheit für die übertragenden Daten.

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CloudKite. Ein mit Helium gefüllter Ballon-Drachen-Kombi-Aerostat „CloudKite“ am MPI-DS.

SMARTIES sollen als atmosphärische Tracer in einem bestimmten Bereich an verschiedenen Positionen Messungen durchführen. Dazu werden je Einsatz bis zu 100 Ballons mit einem Durchmesser von 30 bis 70 Zentimetern genutzt. Die Ballons sind mit Helium gefüllt und bestehen selbst vollständig aus biologisch abbaubarem Naturkautschuk.

Dank des miniaturisierten mioty® Sensors können in der Atmosphäre verschiedene Messdaten wie Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit erhoben werden. Die Daten aller Ballons werden in Echtzeit zur Basisstation am Boden übertragen und dort ausgewertet. Die Position einzelner Ballons kann dabei bis auf wenige Meter genau bestimmt werden. Da die Tracer selbst auch der Ausbreitung mit dem Wind folgen, können die Messungen auch zur Bstimmung der Windgeschwindigkeit oder der Ausbreitungsbestimmungen von Stoffen genutzt werden.

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Cloudkite tested in Finnland.

Während des Projektes sind mehrere Feldtests u.a. in Deutschland auf der Zugspitze und in Finnland geplant. Messungen auf der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus auf der Zugspitze haben gezeigt, dass atmosphärische Strömungen je nach Größenskala unterschiedliche Muster aufweisen. Insbesondere der Bereich von wenigen Metern bis zu etwa 50 Kilometern ist dabei entscheidend für die Verteilung von Staub, Teilchen und Partikeln.

Um die praktische Anwendbarkeit der SMARTIES sowie deren Funkkommunikation zu testen, werden in einem definierten geografischen Gebiet in Finnland mehrere Testmessungen durchgeführt. Dabei wird auch die Datenaufnahme und -verarbeitung getestet, da diese auch bei widrigen Wetterbedingungen zuverlässig funktionieren sollen.

Erste Feldtests in Finnland

Um die praktische Anwendbarkeit von SMARTIES zu testen, wurden im Sommer 2024 mehrere Feldtests in einem bestimmten geografischen Gebiet in Nordfinnland durchgeführt. Die Forscherinnen und Forscher testeten die Datenaufzeichnung und -Verarbeitung sowie die Funkkommunikation und die Ortung mit mioty®. Damit sollte vor allem sichergestellt werden, dass die Systeme auch bei ungünstigen Wetterbedingungen zuverlässig funktionieren.

Feldtests in Finnland

CloudKite Test für mioty®-Basistation.

Feldtests in Finnland

Installation und Tests von mioty®-Basisstation auf einem Funkturm.

Feldtests in Finnland

Installation der mioty®-Basisstation.

Feldtests in Finnland

Test der mioty®-Kommunikation und -Ortung auf dem Gelände.

Feldtests in Finnland

Test der Ortungs- und Kommunikationsfunktion von mioty® mit einer Drohne.