Überwachung der Kohlenstofffreisetzung in der Arktis: Ein Sensor-Netzwerk-Projekt

In den letzten Jahren haben sich die klimatischen Veränderungen auf unser Klima ausgewirkt, was Bedenken über die Auswirkungen auf die Arktis aufgeworfen hat. Ein zentrales Thema ist, wie viel Kohlenstoff aus diesen Regionen aufgrund der Erwärmung freigesetzt wird. Um dem entgegenzuwirken, wurde in Island ein Projekt gestartet, um die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf den Boden und die Luft durch ein Netzwerk von Sensoren zu untersuchen.

#Bedeutung der Untersuchung des arktischen Ökosystems

In der Arktis lagert eine erhebliche Menge Kohlenstoff, der im Laufe der Zeit angesammelt wurde. Leider könnte dieser gespeicherte Kohlenstoff bei steigenden Temperaturen in die Atmosphäre freigesetzt werden, was die Auswirkungen des Klimawandels verschärfen würde. Schätzungen zufolge sind fast 30 % des weltweiten Kohlenstoffs in den nördlichen Regionen gespeichert, obwohl diese Gebiete nur einen kleinen Teil der Erdoberfläche ausmachen. Daher ist es entscheidend zu verstehen, wie zukünftige Erwärmungen den Kohlenstoffausstoss aus der Arktis beeinflussen, um Klimaprobleme anzugehen.

#Der ForHot-Forschungsstandort

Der ForHot-Standort im Dorf Hveragerði, Island, bietet ideale Bedingungen, um Bodentemperaturen und Kohlenstofffreisetzung zu studieren. Dieser Standort nutzt geothermische Energie, um eine konstante Bodentemperatur aufrechtzuerhalten. Die Forscher haben ein Netzwerk von stromsparenden drahtlosen Sensoren eingerichtet, um diese Temperaturänderungen über die Zeit zu überwachen.

#Projektziele

Die Hauptziele des Projekts umfassen:

1. Den Einsatz von stromsparenden Sensoren, um verschiedene Daten wie Bodentemperatur und Feuchtigkeitsgehalt zu sammeln.
2. Gewährleistung des Fernzugriffs auf die Sensoren, damit Anpassungen ohne direkten Kontakt vorgenommen werden können.
3. Bereitstellung von Echtzeitdaten, die anderen Technologien wie Drohnen bei der Datensammlung helfen können.
4. Sicherstellen, dass die Sensoren mehrere Jahre ohne Stromquelle betrieben werden können.

#Gestaltung des Sensornetzwerks

Das Netzwerk ist an verschiedenen Standorten mit unterschiedlichen Heizungsniveaus eingerichtet. Jedes Gebiet ist einzigartig unterteilt, um spezifische Daten zu erfassen. Einige Flächen haben beispielsweise wärmeren Boden aufgrund historischer geothermischer Aktivitäten, während andere erst nach geologischen Ereignissen zu erwärmen begonnen haben.

#Auswahl der drahtlosen Kommunikationsmethoden

Bei der Gestaltung des Sensornetzwerks wurden mehrere Kommunikationsmethoden in Betracht gezogen. Dazu gehörten LoRaWAN, NB-IoT und DASH7. Während LoRaWAN eine lange Reichweite bietet, erwies sich DASH7 aufgrund seines niedrigen Stromverbrauchs und der Fähigkeit, ohne strenge Synchronisation zu funktionieren, als am geeignetsten.

#Effektive Sensorknoten bauen

Jeder Sensorknoten ist darauf ausgelegt, effizient, zuverlässig und in der Lage zu sein, Daten aus mehreren Quellen zu sammeln. Das Team hat sich darauf konzentriert, sicherzustellen, dass die Knoten wenig Strom verbrauchen, damit sie über längere Zeiträume betrieben werden können. Zudem erlaubt das Design einfache Anpassungen, um verschiedene Sensortypen ohne umfangreiche Neuprogrammierungen aufzunehmen.

#Wichtige Eigenschaften der Sensorknoten

• Niedriger Stromverbrauch zur Maximierung der Batterielebensdauer.
• Kompatibilität mit verschiedenen Sensortypen.
• Einfache Struktur zur Erleichterung der Bereitstellung und Wartung.

#Gateway und Datensammlung

Ein Gateway ist für das System unerlässlich, da es Daten von den Sensorknoten sammelt und an einen zentralen Server zur Speicherung sendet. Angesichts der abgelegenen Standorte wurden Mobilfunkverbindungen verwendet, um diese Daten zu übertragen. Um die Gateways mit Strom zu versorgen, wurden Solarpanels installiert, um einen kontinuierlichen Betrieb trotz harscher Wetterbedingungen zu gewährleisten.

#Fernzugriff und Programmierung

Das System ermöglicht einen Fernzugriff auf die Sensoren. Das bedeutet, dass Wissenschaftler Daten abrufen und über das Internet Anpassungen vornehmen können, ohne physisch vor Ort sein zu müssen. Das Gateway fungiert als Brücke zwischen den Sensoren im Feld und den auf dem Server gespeicherten Daten.

#Der Einsatzprozess

Der Einsatz des Sensornetzwerks erfolgte in mehreren Phasen aufgrund des herausfordernden Geländes und der rauen Wetterbedingungen. Ursprünglich plante das Team, die Sensoren im Juni 2020 einzusetzen, stiess jedoch aufgrund der COVID-19-Pandemie auf Rückschläge. Der erste erfolgreiche Einsatz fand im Mai 2021 statt.

#Nachfolgende Einsatzphasen

Nach der ersten Phase wollte das Team zusätzliche Sensoren einsetzen und Solarkraftwerke einrichten. Allerdings verhinderten ungünstige Wetterbedingungen diese Pläne, sodass das Team gezwungen war, einige bereits installierte Sensoren zu belassen. Schliesslich wurde die Infrastruktur fertiggestellt, was zu einer erfolgreichen langfristigen Überwachung führte.

#Energiegewinnung aus geothermischen Quellen

Angesichts der geothermischen Natur des ForHot-Standorts untersuchten die Forscher die Möglichkeit, Temperaturunterschiede zur Energiegewinnung zu nutzen. Diese Methode beinhaltet den Einsatz eines Geräts, das Energie aus dem Temperaturgradienten zwischen Boden und Luft einfängt.

#So funktioniert die Energiegewinnung

Die Grundmethode besteht darin, einen thermischen Energiegenerator (TEG) so zu platzieren, dass eine Seite mit dem warmen Boden in Kontakt steht und die andere Seite Wärme in die kühlere Luft abgibt. Dieses Setup kann Temperaturunterschiede in nutzbare Energie umwandeln und die Sensoren mit Strom versorgen.

#Tägliche Temperaturdaten und Energieproduktion

Die täglichen Temperaturunterschiede zwischen Luft und Boden wurden überwacht. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend, um das potenzielle Energiespektrum abzuschätzen, das gewonnen werden kann. Das Projekt hatte zum Ziel zu analysieren, wie effektiv Energie basierend auf den variierenden Temperaturen in verschiedenen Parzellen erzeugt werden kann.

#Herausforderungen bei der Energiegewinnung

Obwohl die Energiegewinnung eine vielversprechende Lösung darstellt, gibt es Herausforderungen. Die Zuverlässigkeit der Energiequellen kann variieren, insbesondere in kälteren Regionen. Zunächst waren die Forscher vorsichtig, sich vollständig auf geothermische Energie zu verlassen, was sie dazu führte, Batteriestrom als Backup für die Sensorknoten zu verwenden.

#Die Zukunft von Sensornetzwerken

Die Erfahrungen aus diesem Projekt tragen wertvolles Wissen im Bereich der Sensoreinsatz in herausfordernden Umgebungen bei. Die Forscher sind optimistisch, dass die gesammelten Daten dazu beitragen, das Design von stromsparenden Sensornetzwerken zu verbessern.

#Fazit

Zusammenfassend zeigt das Projekt in Island die komplexen Wechselwirkungen zwischen Klimawandel, Kohlenstofffreisetzung und Technologie. Durch die Nutzung eines Sensornetzwerks sind die Forscher besser in der Lage, die Auswirkungen der Erwärmung in den arktischen Regionen zu überwachen und zu analysieren. Mit dem Fortschritt der Technologie gibt es die Hoffnung, dass noch innovativere Lösungen entwickelt werden können, um die drängenden Herausforderungen des Klimawandels und der Energieverwendung anzugehen.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen nicht nur zu unserem Verständnis der Umwelt bei, sondern fördern auch die fortlaufende Forschung zu nachhaltigen Praktiken für die Zukunft.