Forschung -

Batterieloses Sensornetz für die Unterwasserforschung

Um die weitgehend unerforschten Ozeane besser zu untersuchen, die den größten Teil unseres Planeten bedecken, wollen Forscher ein versenktes Netz von miteinander verbundenen Sensoren aufbauen, die Daten an die Oberfläche senden - eine Art Unterwasser "Internet der Dinge".

Aber wie kann man eine Vielzahl von Sensoren, die so konzipiert sind, dass sie lange Zeit in der Tiefe des Ozeans bleiben, mit konstanter Energie versorgen?

MIT-Forscher haben eine Antwort: Ein batterieloses Unterwasserkommunikationssystem, das mit nahezu null Energie Sensordaten sendet.

Das System könnte zur Überwachung der Meerestemperaturen verwendet werden, um den Klimawandel zu untersuchen und die Meereslebewesen über lange Zeiträume zu verfolgen - oder sogar Wasser auf entfernten Planeten analysieren.

Die Forscher präsentierten das System auf der SIGCOMM-Konferenz in einem Beitrag, der mit dem Preis "Best Paper" der Konferenz ausgezeichnet wurde.

Das System nutzt zwei Schlüsselphänomene. Eines, das als "piezoelektrischer Effekt" bezeichnet wird, entsteht, wenn Vibrationen in bestimmten Materialien eine elektrische Ladung erzeugen.

Das andere Phänomen ist die "Rückstreuung", eine Kommunikationstechnik, die häufig für RFID-Tags verwendet wird. Sie überträgt die Daten, indem modulierte Funksignale von einem Tag zu einem Lesegerät reflektiert werden.

Im System der Forscher sendet ein Sender Akustikwellen durch das Wasser zu einem piezoelektrischen Sensor, der Daten gespeichert hat. Wenn die Welle auf den Sensor trifft, vibriert das Material und speichert die entstehende elektrische Ladung.

Dann nutzt der Sensor die gespeicherte Energie, um eine Welle zurück zu einem Empfänger zu reflektieren - oder er reflektiert sie überhaupt nicht. Diese Wechselart entspricht den Bits in den übertragenen Daten: Für eine reflektierte Welle decodiert der Empfänger eine 1; für eine nicht reflektierte Welle ist es eine 0.

"Sobald man eine Möglichkeit hat, Einsen und Nullen zu übertragen, kann man jede Information senden", sagte Co-Autor und Assistenzprofessor Fadel Adib vom "MIT Media Lab" und dem "Department of Electrical Engineering and Computer Science" und Gründungsdirektor der "Signal Kinetics Research Group". "Grundsätzlich können wir mit Unterwassersensoren kommunizieren, die nur auf den eingehenden Tonsignalen basieren, deren Energie wir gewinnen."

In einem MIT-Pool demonstrierten die Forscher ihr "Piezo-Acoustic Backscatter System", mit dem sie Wassertemperatur- und Druckmessungen durchführen konnten.

Das System konnte 3 KB/s an genauen Daten von zwei Sensoren gleichzeitig in einem Abstand von 10 Metern zwischen Sensor und Empfänger übertragen.

Anwendungen gehen über unseren eigenen Planeten hinaus. Das System, so Adib, könnte zum Beispiel Daten im kürzlich entdeckten Unterwassermeer auf Saturns größtem Mond Titan sammeln.

Im Juni kündigte die NASA die Dragonfly-Mission an, um in 2026 einen Rover zur Erforschung des Mondes zu schicken, der Wasserreservoirs und andere Orte untersuchen soll.

"Wie kann man einen Sensor auf Titan unter Wasser platzieren, der über lange Zeiträume an einem Ort überlebt, an dem es schwierig ist, Energie zu bekommen", sagte Adib, der den Forschungsbericht zusammen mit dem Media-Lab Forscher JunSu Jang verfasste. "Sensoren, die ohne Batterie kommunizieren, eröffnen Möglichkeiten für Messaufgaben in extremen Umgebungen."

Weitere Überlegungen führten Adib zu piezoelektrischen Materialien, die seit etwa 150 Jahren in Mikrofonen und anderen Geräten verwendet werden. Sie erzeugen bei Vibrationen eine kleine Spannung. Aber dieser Effekt ist auch umkehrbar.

Denn durch Anlegen einer Spannung verformt sich das Material. Unter Wasser erzeugt dieser Effekt eine Druckwelle, die sich durch das Wasser bewegt. Sie wird oft verwendet, um gesunkene Seefahrzeuge, Fische und andere Unterwasserobjekte zu erkennen.

"Diese Reversibilität ist es, die es uns ermöglichte, eine sehr leistungsfähige Unterwasser-Kommunikationstechnologie für die Rückstreuung zu entwickeln", sagte Adib.

Die Kommunikation beruht darauf, dass verhindert wird, dass sich der piezoelektrische Resonator als Reaktion auf eine Belastung auf natürliche Weise verformt.

Das Herzstück des Systems ist ein versenkter Node, eine Leiterplatte, auf der sich ein piezoelektrischer Resonator, eine Energiegewinnungseinheit und ein Mikrocontroller befinden.

Jede Sensorart kann durch Programmierung des Mikrocontrollers in den Knoten integriert werden. Ein akustischer Projektor (Sender) und eine Unterwasser-Hörvorrichtung, genannt Hydrophon (Empfänger), befinden sich in einiger Entfernung.

Angenommen, der Sensor möchte ein 0-Bit senden. Wenn der Sender seine akustische Welle an den Knoten sendet, absorbiert der piezoelektrische Resonator die Welle und verformt sich auf natürliche Weise.

Der Energy Harvester speichert eine kleine Ladung aus den entstehenden Vibrationen. Der Empfänger sieht dann kein reflektiertes Signal und decodiert eine 0.

Wenn der Sensor jedoch ein 1-Bit senden möchte, ändert sich die Natur. Wenn der Sender eine Welle sendet, verwendet der Mikrocontroller die gespeicherte Ladung, um eine kleine Spannung an den piezoelektrischen Resonator zu senden.

Diese Spannung reorientiert die Materialstruktur derart, dass sie sich nicht mehr verformt, sondern die Welle reflektiert. Der Empfänger erfasst eine reflektierte Welle und decodiert eine 1.

Sender und Empfänger müssen mit Strom versorgt werden, können aber auf Schiffen oder Bojen platziert werden, wo die Batterien leichter zu ersetzen sind; oder an Land an den Stromnetzen. Ein Sender und ein Empfänger können Informationen von vielen Sensoren sammeln, die einen oder mehrere Bereiche abdecken.

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