Künftige Änderungen in der Wasserqualität vorhersagen

Klimawandel und Bodennutzung haben negative Auswirkungen auf die aquatische Umwelt, und es wird immer wichtiger, diese Veränderungen zu messen und zu überwachen. Als das Water Institute der Dublin City University (DCU) neue mobile Labortechnologien entwickelte, um die Zukunft unserer Wasserqualität vorauszusagen, suchte es Unterstützung vom Präzisionsantriebs- und Motorspezialisten maxon.

Geleitet wurde das Projekt von Professorin Fiona Regan, der DCU-Doktorandin Joyce O’Grady und Dr. Nigel Kent, dem damaligen Leiter des Centre of Research and Enterprise in Engineering (engCORE) am Institute of Technology Carlow. Das durch das irische Marine Institute finanzierte Projekt beschäftigt sich unter anderem mit der Untersuchung von Trinkwasserstandorten mit guter Wasserqualität sowie mit der Überwachung jeglicher Veränderungen mit potenziellen Auswirkungen auf das Ökosystem. 

Die zentrifugale Mikrofluidikscheibe, die wie ein mobiles Labor funktioniert

Das Team entwickelte einen Sensor zur Ermittlung niedriger Phosphatwerte in ausgewählten Reservoirs durch Echtzeit-Überwachung. Phosphate sind ein Mass für Nährstoffbelastung und beeinflussen die Geschwindigkeit, mit der Algen und Wasserpflanzen wachsen.  Zum Vermischen und Messen von Wasserprobe und Reagenzflüssigkeit haben O’Grady und Kent eine zentrifugale Mikrofluidikscheibe mit sechs Testmöglichkeiten pro Scheibe entwickelt – eine Art mobiles Labor. Die Möglichkeit, ein mobiles Labor zu nutzen, reduziert die Gefahr von Verunreinigungen, führt zu schnelleren Ergebnissen und liefert Daten in Echtzeit.  

Nigel Kent hatte Kontakt zu Martin Leahy, Sales Engineer von maxon in Irland aufgenommen und Unterstützung bei der Spezifizierung eines maxon DC-Motors DCX 22 mm erhalten, der in Kombination mit dem robusten 3-Kanal-Encoder ENX 10 EASY eingesetzt wird. Die Motorwelle wurde modifiziert, da zur Montage der Zentrifugalscheibe eine längere Welle mit flacher Kante erforderlich war. 

Der Motor musste zwingend eine Drehzahl von mehr als 5000 bis 6000 U/min erreichen, um die Flüssigkeiten mindestens 60 Sekunden lang zur Aussenkante der Scheibe zu drücken. Zudem muss er die Scheibe während der Messphase um jeweils 60° mit einer Präzision von 1° inkrementieren können. DC-Motor und Encoder sind Teil eines umfassenderen integrierten Firmwaresystems. Das System musste zur Reduzierung einer Kontamination für einen minimalen Probenkontakt vollständig integriert werden. 

Leahy hat das Team ausserdem mit dem Young Engineers Program (YEP) von maxon in Verbindung gebracht. Das Programm, das für Studierende und Start-ups ins Leben gerufen wurde, unterstützt innovative Projekte mit elektrischen Antriebssystemen. Es bietet technische Unterstützung und maxon Produkte zu günstigeren Preisen sowie Werbemöglichkeiten über die maxon Kanäle.

Joyce O’Grady, Doktorandin an der DCU

«Ich bin davon ausgegangen, dass der Preis ein Hindernis darstellen würde, aber durch YEP fiel uns die Wahl ganz einfach, da maxon Produkte seit jeher ganz oben auf meinem Wunschzettel stehen. Die vielseitigen Anpassungsmöglichkeiten insbesondere bei solch geringen Stückzahlen waren wirklich beeindruckend, und die Ratschläge von Martin waren für das Projekt von unschätzbarem Wert», fügte Kent hinzu. «Ich hatte maxon Produkte bisher ausschliesslich für Endanwendungen in Betracht gezogen, jedoch nicht für Prototypen.» 

Der Sensor ist nun vollständig validiert, und die Studien werden in anderen Gegenden mit dem Komplettgerät fortgeführt. Eine Studie am River Liffey wurde bereits abgeschlossen, und eine weitere steht in einem niedriger gelegenen Einzugsgebiet kurz vor dem Abschluss. Das System wird für vier weitere Studien repliziert und das Projekt geht damit nach fünf Jahren zu Ende.

«Industrie 4.0 wird früher oder später den Weg in die verschiedensten Branchen finden. Die Art von System, das Joyce gegenwärtig entwickelt, wird sich durchsetzen; autonome Sensoren, die am Ort der Probenahme verbleiben und Informationen zum Zustand von Flüssen oder Seen in Echtzeit übermitteln, werden in Bereichen wie Landwirtschaft 4.0 eine bedeutende Rolle spielen. Der Vernetzungsgrad der Technologie, zum Beispiel durch Einsatz von Drohnen für intelligenten Sprühmitteleinsatz, verringert den Wasserabfluss und hilft so, die Verschmutzung des Wassers zu verhindern und unsere Trinkwasserressourcen zu schützen. Dies wird für die nächsten zehn bis fünfzehn Jahre der Fokus der Branche sein», folgerte Kent, derzeit Dozent an der Fakultät für Maschinenbau und Fertigungstechnik der DCU. 

Die Dublin City University (DCU) ist einer der Akteure von «Beyond 2020», einem Forschungscluster bestehend aus sechs irischen und britischen Instituten zur Erforschung neuer Technologien zur Überwachung natürlicher Gewässer, um die Rolle aquatischer Ökosysteme in einer sich ändernden globalen Umwelt zu verstehen.