Innovativer batterieloser Unterwassersensor nutzt Schall für die langfristige Erfassung von Meeresdaten

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge

Um die Ozeane zu untersuchen, wollen Forscher ein Unterwassernetzwerk aus miteinander verbundenen Sensoren aufbauen, das Daten an die Oberfläche sendet. Die konstante Stromversorgung zahlreicher Sensoren, die für lange Zeiträume unter Wasser ausgelegt sind, war ein großes Problem.

Ein batterieloser piezoelektrischer Unterwassersensor überträgt Daten durch Absorption oder Reflexion von Schallwellen zurück an einen Empfänger, wo eine reflektierte Welle ein 1-Bit und eine absorbierte Welle ein 0-Bit dekodiert und gleichzeitig Energie speichert. (Bild mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Es wurde ein batterieloses Unterwasserkommunikationssystem entwickelt, das zur Übertragung von Sensordaten nahezu keinen Strom verbraucht. Das System könnte zur Überwachung der Meerestemperaturen eingesetzt werden, um den Klimawandel zu untersuchen und Meereslebewesen über lange Zeiträume zu verfolgen – und sogar Wasserproben auf fernen Planeten zu entnehmen.

Das System nutzt zwei Schlüsselphänomene:den piezoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn Vibrationen in bestimmten Materialien eine elektrische Ladung erzeugen; und Rückstreuung, eine Kommunikationstechnik, die üblicherweise für RFID-Tags verwendet wird und Daten durch Reflektion modulierter Funksignale von einem Tag und zurück zu einem Lesegerät überträgt.

Ein Sender sendet akustische Wellen durch Wasser zu einem piezoelektrischen Sensor, der Daten gespeichert hat. Wenn die Welle auf den Sensor trifft, vibriert das Material und speichert die resultierende elektrische Ladung. Dann nutzt der Sensor die gespeicherte Energie, um eine Welle zurück zu einem Empfänger zu reflektieren – oder er reflektiert überhaupt keine Welle. Der Wechsel zwischen Reflexion entspricht auf diese Weise den Bits in den übertragenen Daten. Für eine reflektierte Welle dekodiert der Empfänger eine 1; Für keine reflektierte Welle dekodiert der Empfänger eine 0. Durch die Festlegung einer Möglichkeit zur Übertragung von Einsen und Nullen können beliebige Informationen gesendet werden.

Das Herzstück des Systems ist ein untergetauchter Knoten, eine Leiterplatte, die einen piezoelektrischen Resonator, eine Energiegewinnungseinheit und einen Mikrocontroller beherbergt. Durch Programmierung des Mikrocontrollers kann jede Art von Sensor in den Knoten integriert werden. In einiger Entfernung sind ein akustischer Projektor (Sender) und ein Unterwasser-Abhörgerät, ein sogenanntes Hydrophon (Empfänger), platziert.

Sender und Empfänger müssen mit Strom versorgt werden, können aber auf Schiffen oder Bojen angebracht werden, wo die Batterien leichter ausgetauscht werden können, oder an Steckdosen an Land angeschlossen werden. Ein Sender und ein Empfänger können Informationen von vielen Sensoren sammeln, die einen Bereich oder mehrere Bereiche abdecken.

Zu den Anwendungen gehören Meeresbiologie, Ozeanographie, Meteorologie und andere Bereiche, die eine langfristige Unterwassermessung mit geringem menschlichen Aufwand erfordern. Das System könnte auch verwendet werden, um Daten im kürzlich entdeckten unterirdischen Ozean auf Saturns größtem Mond Titan zu sammeln. Im Juni kündigte die NASA mit der Dragonfly-Mission an, im Jahr 2026 einen Rover zu entsenden, um den Mond zu erkunden und Wasserreservoirs und andere Orte zu beproben.

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