Neues multifunktionales Sensorpaket zur Überwachung der Weltmeere
Wasserproben werden normalerweise dem Meer entnommen und in Laboratorien an Land analysiert. Dieser Ansatz ist jedoch kostenintensiv und liefert nur eine „Schnappschuss“ zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort. Das von der EU finanzierte Projekt SenseOCEAN vereinte führende Entwickler von Meeressensoren von Hochschulen und aus der Industrie, um eine zuverlässige, genaue und kostenwirksame Lösung für die Aufgabe der Meeresüberwachung zu finden. Das Konsortium entwickelte etliche miniaturisierte chemische, elektrochemische und optische Sensoren einschließlich eines Lab-on-a-Chip-Sensors. Sie harmonisierten deren Funktionsweise mit häufig anzutreffenden Schnittstellen, Steckern und Anschlüssen sowie Standarddatenformaten, um ein an Ort und Stelle im Meer einsetzbares, multifunktionales, biogeochemisches Sensorpaket herzustellen. „Über die Kombination neuer Technologien wie etwa 3D-Druck und neuer Verfahren für Mikrofertigung können wir eine kostengünstige Massenproduktion gewährleisten“, sagt Projektkoordinator Professor Douglas Connelly. Breites Anwendungsspektrum Die integrierten Sensorpakete wurden umfangreichen Feldversuchen in der Kieler Förde, Deutschland, sowie im Mittelmeer unterzogen. Die Wissenschaftler setzten außerdem einen Fluorometriesensor mit schneller Wiederholungsrate 150 Tage lang in der Arktis sowie einen Multiparameter-Nährstoffsensor für über zwei Jahre in einem Hafen im Vereinigten Königreich ein. In mehr als 100 Abwasseranlagen ist bereits ein elektrochemischer Stickoxid-Mikrosensor (N2O) im Einsatz, während die Überwachungsfähigkeit von Optodensensoren, bei denen Licht zum Nachweis und zur Messung bestimmter Substanzen in einer Probe verwendet wird, in Fischfarmen nachgewiesen wurde. Einer der Projektpartner entwickelte das V-Lux-Multiparameter-Fluorometer, das zur Überwachung von Umweltverschmutzung, Algen, Abwasser und Badegewässern, Ölverschmutzungen (einschließlich Abflüssen von Straßen und vom Flughafenvorfeld) und Verschmutzung aus punktuellen Quellen eingesetzt werden kann. Es kann gleichermaßen farbige gelöste organische Substanzen überwachen, um organische Belastung, Koagulationssteuerung und Filtermanagement in Wasseraufbereitungsanlagen sowie Wasser aus Abgaswäschern zu bewerten. Das Sensorpaket und die einzelnen Sensoren können problemlos an Unterwasserfahrzeugen, an Anlegeplätzen und Schwimmkörpern oder Gestängen in der Tiefsee montiert und zur Durchführung von Umweltanalysen eingesetzt werden. Mit der Befestigung von Sensoren an Segelflugzeugen können große Gebiete abgedeckt werden, während autonome Plattformen häufige Analysen über lange Zeit durchführen können. „Zur Hemmung von biologischem Bewuchs werden spezielle Schutzsysteme eingesetzt, die es ermöglichen, die Sensoren lange Zeit unter dem Wasserspiegel zu platzieren“, erklärt Professor Connelly. Kommerzielle und ökologische Vorteile Die Produktionskosten für die Sensoren konnten durch Minimierung der Anzahl der Maschinenteile sowie durch Einführung neuer Materialien und Technologien wie etwa 3D-Drucken und starrflexible Leiterplatten erheblich gesenkt werden. Außerdem wurden Methoden wie beispielsweise analoge fluidische Schaltungen aus anderen Gebieten wie der digitalen Elektronik übernommen, um die Anzahl von Schrittmotor-Spritzenpumpen für das Lab-on-a-Chip zu verringern. Bei SenseOCEAN wurden erstmals mehrere Sensoren in ein Plug-and-Play-Sensorpaket integriert. Zudem wurden sämtliche Sensoren von den Projektpartnern entwickelt und nicht einfach nur neu gepackt. Dazu Professor Connelly: „Unsere KMU-Partner profitieren bereits jetzt von SenseOCEAN und den nun auf dem Markt befindlichen Produkten, darunter ein Felddatenlogger, ein N2O-Mikrosensor und ein Multiparameter-Fluorometer. Weitere Produkte wie beispielsweise Optoden sind momentan sehr nah am Markt. Der Schlüssel zum Erfolg dieses Projekts war die wirkungsvolle Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie.“ Auf lange Sicht wird den Regulierungs- und Überwachungseinrichtungen ein neues Instrumentenpaket zur Verfügung stehen, das wirksame Rechtsumsetzung und Kontrollen zum Schutz der Meeresumwelt ermöglicht. „Die Werkzeuge werden gleichermaßen die Forschung unterstützen, indem eine umfangreichere räumliche und zeitliche Probenahme in den Weltmeeren möglich wird, wodurch das Verständnis von Prozessen im Meer wie etwa Ozeanzirkulation und Nährstoffkreislauf sowohl lokal als auch global verbessert wird“, erläutert Professor Connelly abschließend.
Schlüsselbegriffe
SenseOCEAN, elektrochemisch, optisch, Optoden, Westentaschenlabor, Lab-on-a-Chip, Meeressensor, Multiparameter-Fluorometer