Bioabbaubare Sensor-Samen Mit Gleitern aus Esspapier den Waldboden studieren

Eine Drohne wirft ihre federleichte Fracht über dem Wald ab: Es sind halbmondförmige Gleiter aus einer Art Esspapier, die nun zu Boden segeln. Mit solchen Gleitern wollen Empa-Forscher die Umweltanalytik vorantreiben. Denn sie tragen pH-Sensoren mit sich und sind mitsamt dem Sensor biologisch abbaubar.

Es liegt den Menschen wohl im Blut: Der Drang nach Neuem, nach dem Entdecken. Die großen Forscher ihrer Zeit, etwa Alexander von Humboldt, Charles Darwin und Ernest Shackleton unternahmen dazu jahrelange, entbehrungsreiche Expeditionen, um spektakuläre, bislang unbekannte Eindrücke zu sammeln. Heute sollen schnellere, zeitgemäße Methoden als die klassische Forschungsreise helfen, wichtige Öko-Parameter in Echtzeit und ohne Risiko aufzuzeichnen.

Sensoren gegen Überdüngung

Batteriebetriebene Mini-Labore für den Acker

Empa-Forscher des „Sustainability Robotics“-Labor in Dübendorf entwickeln daher kostengünstige, nachhaltige Sensoren und Fluggeräte, die energiesparend, engmaschig und autonom auch in unzugänglichen Gebieten Umweltdaten sammeln können, so genannte Bio-Gleiter. Das Rezept für den Bau dieser Datensammler besteht lediglich aus drei Zutaten: Kartoffeln, etwas Holzabfall und eine Färberflechte.

Bio-Gleiter nach dem Vorbild der Java-Gurke

Wie Blätter im Herbst zu Boden taumeln, so segeln auch die Bio-Gleiter mit ihren eingebauten Sensoren sie leise zum Waldboden. Dabei ist das Label „Bio“ gleich in zweifacher Hinsicht zutreffend für die schlanken Fluggeräte: Sie sind von der Biologie inspiriert, da sie den Flugsamen der Java-Gurke nachempfunden sind, und sie sind biologisch abbaubar. Wenn eine Drohne die smarten Sensor-Samen freigesetzt hat, melden sie Daten zu Feuchtigkeit und Säuregrad am Boden bis sie schließlich zerfallen und eins mit dem Waldboden werden.

Empa-Forscher Fabian Wiesemüller und das Team um Mirko Kovac vom „Sustainability Robotics“-Labor wollen mit den Daten der smarten Samen den Zustand des Waldbodens und seinem biologischen und chemischen Gleichgewicht überwachen. Ein erster Sensor dient nun für die Messung des pH-Werts mit einem klassischen Lackmus-Test. Hierbei reagiert der aus Flechten gewonnene Farbstoff auf Säure mit einem Farbumschlag von Violett zu Rot. „Den Farbumschlag des Sensors am Waldboden registriert danach eine Drohne, die das Gebiet überfliegt“, erläutert Wiesemüller.

Schützende Blüte aus Nanocellulose

Damit der Sensor bis zu seinem Einsatz geschützt ist und nur im entscheidenden Moment Daten sammelt, ist er von einem Film überzogen. Hierbei handelt es sich um eine trickreiche „Kontra-Kapuze“, die den Sensor freigibt, sobald Regen fällt. Er öffnet sich dann gleich einer Blüte.

Gemeinsam mit dem Team von Gustav Nyström vom „Cellulose & Wood Materials“-Labor der Empa entwickelten die Forscher diesen Schutzmechanismus auf der Basis von nanofibrillierter Cellulose aus Holzresten, die mit Gelatine zu einem feinen, auf Luftfeuchte reagierenden Polymerfilm verarbeitet wurde. Haben sich die Regenwolken verzogen, schließt sich die Polymerblüte nach rund 30 Minuten bis zum nächsten Einsatz.

Damit sich die „Blüte“ symmetrisch öffnet, ist der Polymerfilm zusätzlich mit einer hauchfeinen Schicht aus Schellack überzogen, einer natürlichen harzartigen Substanz, die von Pflanzenläusen ausgeschieden wird. Sie verhindert, dass sich das Polymermaterial bei Feuchtigkeit ungleichmäßig ausdehnt.

Auf den Schwingen der Kartoffel durch den Wald

Als Transportvehikel dient dem Biosensor ein Gleiter, dessen Material aus herkömmlicher Kartoffelstärke besteht, vergleichbar mit Esspapier. So lässt sich der Gleiter einfach ausdrucken und in die Gestalt des Java-Gurken-Samens pressen. Das Fluggerät wiegt mitsamt Sensor lediglich 1,5 Gramm und hat eine Spannweite von 14 Zentimetern. „Das biologisch inspirierte Design soll den Gleiter zu einem möglichst langen Sinkflug befähigen“, erklärt Robotik-Forscher Wiesemüller die Wahl der Gleiter-Geometrie.

In den Drohnenflugarenen der Empa in Dübendorf und des Imperial College London hat Wiesemüller das Flugverhalten und die Stabilität der ersten Prototypen optimiert. Der Bio-Gleiter schafft es im Testaufbau, eine Gleitzahl von sechs zu erreichen. Dies entspricht einer horizontalen Distanz von 60 Metern, wenn der Gleiter aus 10 Metern Höhe startet.

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Sensoren mit Zerfallsdatum

Erreicht das Messgerät den Boden, beginnt ein Wettlauf mit der Zeit. Während der Sensor bei jedem Regenguss den pH-Wert misst, macht sich die Natur an ihm zu schaffen. Nach sieben Tagen unter Laborbedingungen haben Bodenorganismen bereits die Schwingen zersetzt. Nach weiteren drei Wochen fällt der Sensor auseinander.

So finden die natürlichen Bestandteile des Bio-Gleiters zurück in die Natur. Der Säure-Sensor stellt dabei auch nur einen ersten „Proof of Concept“ dar, dem weitere Sensortypen folgen sollen, die etwa den Zustand von Bäumen, Gewässern und Böden in Echtzeit ermitteln, gibt Wiesemüller einen Ausblick.

Weitere Sensor-Typen sollen folgen

Derzeit gehen die Forscher noch einen Schritt weiter. Ihr Ziel ist es, die Auswirkungen des Klimawandels auf unterschiedliche Lebensräume mit komplett bioabbaubaren Sensor-Drohnen zu erfassen. Im Sinne einer „digitalen Ökologie“ ermöglichen derartige Roboter genaue Vorhersagen zum Zustand der Umwelt und entsprechende Präventionsmaßnahmen, um danach in der Natur in ihre Ausgangsmaterialien zu zerfallen. Bislang sind noch nicht alle Teile derartiger Umweltdrohnen in hochwertigen biologisch abbaubaren Ausführungen verfügbar.

Die Empa-Forscher arbeiten nun in interdisziplinären Teams an Flugdrohnen mit einem umweltfreundlichen Gerüst auf der Basis von hochporösen Cellulose- und Gelatinematerialien. Hier fließen auch die Erkenntnisse aus dem Bio-Gleiter-Projekt ein.

Originalpublikation: F Wiesemüller, Z Meng, Y Hu, A Farinha, Y Govdeli, PH Nguyen, G Nyström and M Kovač, Transient bio-inspired gliders with embodied humidity responsive actuators for environmental sensing; Frontiers in Robotics and AI (2022); DOI: 10.3389/frobt.2022.1011793

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