Faszination Technik Wie eine smarte Boje Meeresdaten zuverlässig erfasst

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: eine smarte Boje, die zuverlässig Meeresdaten erfasst und dabei ihre Energie aus der Umgebung gewinnt.

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Die Verschmutzung der Meere und der Klimawandel stellen ernste gesellschaftliche Probleme dar. Um evidenzbasierte Lösungsansätze zu verfolgen, benötigen Wissenschaftler daher zuverlässige Möglichkeiten für die Erfassung und Veranschaulichung der unterschiedlichen Meereszustände.
Die Verschmutzung der Meere und der Klimawandel stellen ernste gesellschaftliche Probleme dar. Um evidenzbasierte Lösungsansätze zu verfolgen, benötigen Wissenschaftler daher zuverlässige Möglichkeiten für die Erfassung und Veranschaulichung der unterschiedlichen Meereszustände.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Universität Nagasaki und das Unternehmen Kyocera haben gemeinsam eine smarte Boje entwickelt, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnt. In dem Projekt mit dem Titel „Energy Harvesting Smart Buoy“, trifft das von der Universität Nagasaki entwickelte System zur Stromgewinnung aus Gezeitenbewegungen auf Kyoceras langjährige Erfahrung mit IoT-Technologien. Ziel der Erfindung ist es, Meeresdaten zuverlässig und langfristig zu erfassen.

Links zu sehen: die Small Lens-type Tidal Turbines (SLTT), rechts: die Vertical-axis Tidal Turbines (VTT).
Links zu sehen: die Small Lens-type Tidal Turbines (SLTT), rechts: die Vertical-axis Tidal Turbines (VTT).
(Bild: Kyocera)

Im Rahmen eines Pilot-Programms konnte ein mit 21 Sensoren ausgestatteter Prototyp bereits Daten zur Wassertemperatur, Luftfeuchtigkeit und Strömungsrichtung aufzeichnen. Zukünftige Versionen sollen beispielsweise auch Sensoren beinhalten, die temperaturabhängige Salzgehaltsveränderungen, Wassertrübungen durch Chlorophyll sowie temperaturabhängige Veränderungen von gelösten Sauerstoffkonzentrationen erfassen.

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Stabile Stromversorgung auf hoher See

Die Verschmutzung der Meere und der Klimawandel stellen ernste gesellschaftliche Probleme dar. Um evidenzbasierte Lösungsansätze zu verfolgen, benötigen Wissenschaftler daher zuverlässige Möglichkeiten für die Erfassung und Veranschaulichung der unterschiedlichen Meereszustände. Die Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung stellt dabei jedoch eine enorme Herausforderung dar.

Bei dem GPS-Multi-Gerät handelt es sich um ein kompaktes IoT-Gerät von Kyocera, das mit verschiedenen Sensoren und Antennen ausgestattet und mit GPS-, Glonass- und Michibiki-Positionsverfolgungssystemen kompatibel ist.
Bei dem GPS-Multi-Gerät handelt es sich um ein kompaktes IoT-Gerät von Kyocera, das mit verschiedenen Sensoren und Antennen ausgestattet und mit GPS-, Glonass- und Michibiki-Positionsverfolgungssystemen kompatibel ist.
(Bild: Kyocera)

Aus diesem Grund haben die Universität Nagasaki und Kyocera die Energy Harvesting Smart Buoy entwickelt: Eine smarte Boje, die mit einem System zur Stromgewinnung aus Gezeitenbewegungen ausgestattet ist und so den elektrischen Strom für eine fortlaufende Sammlung von Meeresdaten selbst erzeugen kann. Darüber hinaus plant Kyocera, diese neuartige Technologie auch für weitere Projekte zu nutzen, beispielsweise zur Überwachung von Fischgründen und Aquakulturen oder zur Anwendung in ozeanografischen Erhebungen.

Prototypen erzeugen Strom aus Gezeiten selbst

Bei SLTT sind Boje und Stomerzeugung getrennt. Bei VTT ist das Element der Stromerzeugung direkt mit der Boje verbunden.
Bei SLTT sind Boje und Stomerzeugung getrennt. Bei VTT ist das Element der Stromerzeugung direkt mit der Boje verbunden.
(Bild: Kyocera)

Das von Kyocera entwickelte GPS-Multi-Gerät sowie angeschlossene Sensoren versorgen jede Energy Harvesting Smart Buoy mit Strom1. Bei dem GPS-Multi-Gerät handelt es sich um ein kompaktes IoT-Gerät von Kyocera, das mit verschiedenen Sensoren und Antennen ausgestattet und mit GPS-, Glonass- und Michibiki2-Positionsverfolgungssystemen kompatibel ist.

Jeder Prototyp ist mit zwei verschiedenen Systemen zur Stromerzeugung aus Gezeiten ausgestattet:

  • SLTT (Small Lens-type Tidal Turbines) – Boje und Stromerzeugung sind getrennt. Ein Diffusor wurde um die Turbine herum eingebaut. Neben dem Schutz der Turbine bewirkt der Diffusor, dass der Wasserzulauf erhöht wird, was zu einer verbesserten Stromerzeugung führt.
  • VTT (Vertical-axis Tidal Turbines) – Das Element für die Stromerzeugung ist direkt mit der Boje verbunden. Ein KI-gestütztes Design ist mit einer Schwenkachse bestückt, um die Turbinenrotation bei starkem Wellengang zu optimieren.

Die Prototypen SLTT und VTT im Vergleich
Die Prototypen SLTT und VTT im Vergleich
(Bild: Kyocera)

Die Universität Nagasaki hat die Turbinengestaltung für die Gezeiten-Stromerzeugung optimiert, Kyocera hat verschiedene Sensorsteuerungen, die Leistungssteuerung, das Bojen-Design, die Cloud-Anwendung und mobile Anwendungen4 entwickelt.

Die Universität Nagasaki und Kyocera führten über den Zeitraum von neun Tagen einen Pilottest bei Springtide und Niedrigwasser innerhalb des Gezeitenzyklus durch. Beim Test wurden 21 Sensoren zur Datenerfassung eingesetzt. Die Daten wurden anschließend in die Cloud übermittelt, darunter Daten zur Beschleunigung, Temperatur und Feuchtigkeit (durch Einsatz von geomagnetischen Sensoren in der Boje), Wassertemperatur, Fließgeschwindigkeit, Stromrichtung, Batteriestrom und Spannung (durch Einsatz eines externen elektrischen Stromsensors).

Die durchschnittliche Menge der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs belief sich während der Testdauer auf:

Testergebnisse SLTT
Durchschnittliche Stromerzeugung 16,3 W
Durchschnittlicher Stromverbrauch 15,2 W
Abtastintervall 5 Minuten
Datenübertragungsintervall 5 Minuten

So soll die smarte Boje weiterentwickelt werden

Auf Basis der bisherigen Ergebnisse, werden zukünftig weitere Tests, vornehmlich in der Präfektur Nagasaki, durchgeführt werden, um die Untersuchung der Meere voranzutreiben. Die beteiligten Organisationen planen dafür den Einsatz der Sensoren für die Erfassung von Temperatur und Salinität (Temperatur, Salinität und elektrische Leitfähigkeit), von Wassertrübung durch Chlorophyll (Chlorophyll, Wassertrübung und Wassertemperatur) und von gelöstem Sauerstoff (gelöster Sauerstoff und Wassertemperatur) sowie die Integration einer Unterwasserkamera.

Für kommerzielle Versionen der Boje sollen zudem die Größe und das Gewicht reduziert werden, um dadurch Leistung und Prozesse zu optimieren. Darüber hinaus wird Kyocera eine IoT-Plattform zur Speicherung der gesammelten Daten schaffen.

1 Mit einer seriellen Mehrzweckschnittstelle (RS-485) ausgestattet kann es die Sensoren je nach Anwendung verbinden.
2 GLONASS ist ein russisches satellitengestütztes Positionsverfolgungssystem. Michibiki ist ein japanisches System zur satellitengestützten Positionsverfolgung, das hauptsächlich Quasi-Zenit-Satelliten einsetzt.
3 LTE ist ein eingetragenes Warenzeichen von ETSI.
4 PAL Co. und Shinei Kogyo LLC, die beide in Nagasaki City ansässig sind, haben bei der Herstellung des Prototyps der Boje zusammengearbeitet.

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