Drohnenmontiertes Sensorsystem zur Bestimmung des Nitrit- und Nitratgehaltes in freien Gewässern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Martina Gerken
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541033675

Die ortsaufgelöste Bestimmung des Nitrit- und Nitratgehaltes in Fließgewässern spielt eine wichtige Rolle in der Analyse von Nährstofffrachten zur Erreichung von Umweltschutzzielen. Bisher erfolgt die Probenahme überwiegend manuell oder durch fest installierte Messstationen. Hier soll eine mobiles, drohnenbasierten Messsystems zur quantitativen Messung des Nitrit- und Nitratgehalts in Fließgewässern erforscht werden. Eine drohnenbasierte Messung bietet gegenüber der manuellen Entnahme die wichtigen Vorteile, dass größere Bereiche des Gewässers in einer gegebenen Zeit abgedeckt werden können, dass die Probenahme auch bei niedrigem Wasserstand stattfinden kann und dass entlegene Bereiche schnell erreicht werden können. Zudem liegen die Messergebnisse direkt vor und können für die Planung der weiteren Probenahme genutzt werden. In diesem Projekt soll das kolorimetrische Messprinzip der Auswertung eines Farbumschlags nach einer chemischen Reaktion der Wasserprobe zum Einsatz kommen. Durch mitfliegende Messstandards ermöglicht dieses Messprinzip die Korrektur von Störungen durch Umwelt- und Drohneneinflüsse. Basierend auf dem Stand der Forschung und den eigenen Vorarbeiten sollen zwei verschiedene Systemansätze erforscht und für Proof-of-Concept Experimente als Demonstrator aufgebaut werden. Beide Systeme sollen für eine Drohne mit 5 kg Nutzlast ausgelegt sein. Zu einen soll ein ventilbasiertes mikrofluidisches Chiplabor für die kolorimetrische Nitrit- und Nitratmessung mit einer Messdauer von 5 Minuten entwickelt werden. Dieses soll lokale Messungen an verschiedenen Positionen im Fließgewässer ermöglichen. Für die Probenentnahme soll die Drohne jeweils auf 1 m Flughöhe abgesenkt werden und die Probe mit einem Schlauch aufgenommen werden. Als zweites System soll ein tropfenbasierte mikrofluidisches Chiplabor erforscht werden, dass einen mitschleifenden Betrieb des im Wasser eingetauchten Schlauchs für eine hohe Ortsauflösung ermöglicht. Hierbei soll eine Dauer von nur 12 Sekunden pro Messung erzielt werden. Für beide Systeme wird die on-board-Datenaufnahme, Signalverarbeitung und Kommunikation energieeffizient ausgelegt. Begleitend zu den experimentellen Arbeiten soll ein detailliertes Modell der Messansätze entwickelt werden, dass die Vorhersage der Messwerte und Messunsicherheiten der Nitrit- und Nitratmessung in Abhängigkeit der Ressourcen Gewicht, Energie, Volumen und Zeit pro Messung erlaubt. Faktoren, die Quereinflüsse erzeugen und die Messunsicherheit beeinflussen, wie z.B. Vibrationen in der fliegenden Messplattform, sollen detailliert untersucht werden. Das Modell soll mit Freifeldversuchen an der Füsinger Au in der Modellregion Schlei gegen manuell entnommene Proben validiert werden. Ziel des Projektes ist das Messprinzip der kolorimetrischen Messung von Nitrat und Nitrit mit einem mikrofluidischen Chiplabor für fliegende Messplattformen zu erschließen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen