MIT: Drahtlose energieautarke Unterwasserkamera soll Ozeane erkunden

Eine Unterwasserkamera des Massachusetts Institute of Technology, die ihre Energie aus Schallwellen bezieht, könnte bei der Erkundung von Ozeanen helfen.

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Die Unterwasserkamera des MIT gewinnt Strom aus Schallwellen und arbeitet autark.

(Bild: Adam Glanzman / MIT)

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Ein Wissenschaftsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine autonome drahtlose Unterwasserkamera entwickelt, die ohne Batterie auskommt. Den notwendigen Strom bezieht sie aus mechanischer Energie von Schallwellen, die sich durch das Wasser bewegen und onboard in elektrische Energie umgewandelt werden. Zudem arbeitet die Kamera deutlich energieeffizienter als andere Unterwasserkameras, wie aus einem am Montag veröffentlichten wissenschaftlichen Paper in Nature Communications hervorgeht. Mithilfe der Kamera wollen die Wissenschaftler bislang unerforschte Bereiche der Ozeane erforschen und zur Klimaüberwachung beitragen.

Die Forscher des MIT haben eine Unterwasserkamera entwickelt, die etwa 100.000-mal energieeffizienter arbeitet als alle bisherigen Unterwasserkameras, schreiben sie im Paper "Battery-free wireless imaging of underwater environments", das in Nature Communications veröffentlicht wurde. Neben der Energieeffizienz sei eine dauerhafte Energieversorgung wichtig, die ohne den Austausch oder das Nachladen von Batterien auskommt. Nur so könne die Kamera wochenlang in Betrieb bleiben, ohne dass sie wieder aus dem Meer gefischt werden muss.

Gelungen ist den Forschern dies bei ihrer Unterwasserkamera durch die Umwandlung mechanischer Energie von Schallwellen, die durch das Wasser laufen, in elektrische Energie. Der so gewonnene Strom reicht dazu aus, um die Kamerakomponenten wie Bildgebungs- und Kommunikationsgeräte zu betreiben.

Dazu benutzen die Wissenschaftler piezoelektronische Materialien, die an der Außenseite der Kamera angebracht sind. Trifft eine Schallwelle, etwa von Schiffen oder Meereslebewesen, auf die Wandler, vibrieren die Materialien und wandeln die mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Kamera speichert diese Energie. Ist genügend vorhanden, macht sie Fotos und übermittelt sie.

Die Kamera baut auf handelsübliche Bildsensoren auf, die allerdings extrem wenig Strom benötigen, aber auch nur Graustufenbilder aufnehmen können. Auch ein stromsparendes Blitzlicht für Unterwasseraufnahmen musste entwickelt werden. Die Forscher beleuchten eine Szene hintereinander mit rotem, grünem und blauem LED-Licht. Das Bild wirke zwar schwarz-weiß, das rote, grüne und blaue Licht werde im weißen Teil jeder Aufnahme jedoch reflektiert. Die Bilddaten werden in der Nachbearbeitung kombiniert und das Farbbild rekonstruiert, erklärt Waleed Akbar, einer der beteiligten Wissenschaftler, das verwendete Verfahren.

Die in Bits umgewandelten Bilddaten sendet die Kamera mit einem Unterwasserrückstreuungsverfahren an einen Empfänger. Dabei sendet der Empfänger zunächst Schallwellen an die Kamera. Die Kamera reflektiert diese Welle entweder zurück oder absorbiert sie, je nachdem, ob ein Bit-1 oder Bit-0 übertragen werden soll. Im Empfänger werden die Reflexionen und die ausbleibenden Reflexionen entsprechend in Bits interpretiert, sodass aus den Daten später das Bild wieder hergestellt werden kann.

"Da nur ein einziger Schalter erforderlich ist, um das Gerät von einem nicht reflektierenden in einen reflektierenden Zustand zu versetzen, verbraucht dieser gesamte Prozess fünf Größenordnungen weniger Energie als typische Unterwasserkommunikationssysteme", sagt Sayed Saad Afzal, einer der Projektmitwirkenden.

Den Prototypen der Unterwasserkamera testeten die Wissenschaftler in verschiedenen Wasserumgebungen. Ihnen gelang es dabei, vergleichsweise detailreiche Fotos von Plastikflaschen, Seesternen und Unterwasserpflanzen aufzunehmen und zu übertragen.

Beispiele aufgenommener Fotos der Unterwasserkamera des MIT: Plastikflasche, Seestern und die Entwicklung einer Wasserpflanze über mehrere Tage.

(Bild: MIT)

Praxistauglich für den Einsatz in Ozeanen ist die Unterwasserkamera jedoch noch nicht. Bisher ist eine Datenübertragung lediglich über eine Entfernung von etwa 40 Meter möglich. Die Reichweite wollen die Wissenschaftler nun erhöhen. Auch soll der Speicher der Kamera erweitert werden. Dann sollen mehrere Fotos hintereinander aufgenommen und Videos gestreamt werden können.

Nach Ansicht der MIT-Forscher kann die Unterwasserkamera dazu eingesetzt werden, um in entlegenen Teilen der Ozeane nach neuen Arten zu suchen sowie zur Überwachung der Meeresverschmutzung und Beobachtung der Gesundheit von Fischen in Aquakulturfarmen. Eine wichtige Anwendung könnte auch in der Klimaüberwachung und der Erstellung von Klimamodellen liegen. Diese könnten genauer ausfallen, wenn mehr Daten vorliegen. Derzeit fehlen Daten von über 95 Prozent der Ozeane.

(olb)