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Forschungs-Boje auf Reisen

erstellt von eschick zuletzt verändert: 15.02.2017 14:02

Von Magdeburg nach China: Im Rahmen eines deutsch-chinesischen Forschungsprojektes, das am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) koordiniert wird, geht in diesen Tagen vom UFZ in Magdeburg eine Forschungs-Boje auf Reisen, die dazu dient, die Gewässerqualität zu überwachen. Sie wurde vom Department Seenforschung in Magdeburg und den wissenschaftlichen Werkstätten des UFZ gemeinsam mit einem Ingenieurbüro entwickelt.


Wo geht die Reise hin?

Ziel ist der Chaohu (deutsch: Chao-See) in der chinesischen Provinz Anhui. Mit etwa 750 Quadratkilometern Oberfläche ist er etwa eineinhalb Mal so groß wie der Bodensee, aber im Mittel nur zwei Meter tief. Er leidet unter immensen Nährstoffeinträgen und ist hochgradig eutrophiert. In Deutschland kennen wir derartig belastete Gewässer gar nicht mehr. Die Stadt Chaohu-City und umliegende Siedlungsräume, insgesamt mehrere Millionen Menschen, beziehen aber immer noch ihr Trinkwasser aus dem See.

Satellitenbild des Chao-Sees in der Provinz Anhui, des fünftgrößten Sees in China: (Bild: NASA)

Satellitenbild des Chao-Sees in der Provinz Anhui, des fünftgrößten Sees in China: (Bild: NASA)

Was ist das Ziel?

Die Gewässerüberwachung soll einerseits helfen, das betreffende Wasserwerk über den Zustand des Rohwassers zu informieren. Anderseits dient sie den Wissenschaftlern natürlich dazu, verschiedene Forschungsfragen zu beantworten; zum Beispiel arbeiten sie an einem mathematischen Modell, das die Verteilung der Algen im See simulieren soll.

Die Erkenntnisse dienen auch dazu, ähnliche Umweltprobleme andernorts zu lösen. Denn in China gibt es viele Gewässer mit derartig hohen Belastungen. Durch die hohe Bevölkerungsdichte ist die landwirtschaftliche Aktivität hoch und die Siedlungsräume verfügen trotz fortlaufender Investitionen in Milliardenhöhe noch nicht über eine flächendeckend hohe Reinigungseffizienz in der Abwasseraufbereitung. Die chinesische Bevölkerung hat aber auch die Existenz von intakten Naturräumen als hohes Gut erkannt und Siedlungs- und Naturräume sollen oft in dichter räumlicher Aggregation parallel existieren. Die Umweltprobleme, die wir in Mitteleuropa im Zuge der modernen Industrialisierung nach dem 2. Weltkrieg oder nach dem Fall des eisernen Vorhangs zu lösen hatten, waren im Vergleich zu den hiesigen chinesischen Verhältnissen eindeutig überschaubarer.

Mit der Boje kann die Wasserqualität von Oberflächengewässern kontinuierlich erfasst werden. (Bild: UFZ)

Mit der Boje wird die Qualität von Oberflächengewässern kontinuierlich erfasst. (Bild: UFZ)

Was kann die Boje?

Mit der Boje kann die Wasserqualität von Oberflächengewässern kontinuierlich erfasst werden: Von der Wassertemperatur und Leitfähigkeit, dem Chlorophyllgehalt und der Gesamt-Algenkonzentration bis zum Phycocyanin, der die Menge an Blaualgen anzeigt. Auch die UV-Absorption als Maß für den Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff, der pH-Wert und die Sauerstoffkonzentration werden aufgezeichnet.

Da für die Beantwortung vieler Forschungsfragen die lokalen meteorologischen Randbedingungen wichtig sind, ist in der Boje auch eine meteorologische Station integriert. Erfasst werden: Windrichtung und -geschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Niederschlag und Globalstrahlung.

Was ist das Besondere an der Boje?

Die Sensorik der Boje ist eigentlich nicht das Besondere, denn diese Dinge sind auf dem Markt erhältlich. Die Boje punktet in den Bereichen, die der Sensorik nachgeschaltet liegen: Die Signalverarbeitung, das Energiemanagement und die Wartungsbedürftigkeit.

Das UFZ-Team mit seiner Eigenkreation, der rund drei Meter hohen Messboje. (Bild: UFZ) 

Das UFZ-Team mit seiner igenkreation, der rund drei Meter hohen Messboje. (Bild: UFZ)

 

So ist die Boje mindestens sechs Wochen autonom lauffähig, man kann sie also mit einem Helikopter im See absetzen und bekommt von dort mindestens sechs Wochen lang verlässlich(e) Daten. Folgende Dinge sind hervorzuheben:

  • Alle elektronischen Bauteile des Systems sind auf minimalen Energieverbrauch getrimmt. Wir haben im Herz der Boje lediglich zwei Autobatterien als Energiepuffer. Ein Solarpanel und ein Windgenerator liefern Energie, wenn es die Wetterbedingungen ermöglichen. Teilweise wurden am UFZ eigene Hardwarekomponenten entwickelt, um energiesparende Lösungen zu finden.
  • Die Sensoren sind mit einer automatischen Reinigung versehen. Denn alles, was sich etwa eine Woche in einem See befindet, wird von Organismen besiedelt und das würde den Betrieb der Sensoren stören. Wer sechs Wochen kompromisslos messen will, muss die Boje dazu bringen, selber zu putzen.
  • Alle Messwerte werden auf der Boje lokal gespeichert und können gleichzeitig an verschiedene Empfänger per Funkverbindung übertragen werden. Der Standardversand ist hierbei natürlich das UFZ-eigene Datenmanagementportal.

Wie groß muss man sie sich vorstellen?

Die Boje ist etwas über drei Meter lang. Wenn sie im Wasser schwimmt, guckt der Bojenkörper aber nur einen halben Meter aus dem Wasser. Wenn man den Mast für die meteorologischen Sensoren mit hinzuzieht, dann kommen wir auf etwa einen Meter oberhalb der Wasseroberfläche.


Quelle: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Magdeburg, Februar 2017