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Ein Sensor als Lotse

22.04.2021 | TU Graz screenshots |

Von Cornelia Kröpfl, BA MA

Radeln hält gesund. Im dichten Autoverkehr jedoch nicht … Die Technik von morgen kann uns aber helfen, einen gesünderen Weg zu finden – der kleinste Feinstaub-Sensor der Welt als Navigator.

Die Qualität der Umgebungsluft in Echtzeit messen - das kann der weltweit kleinste Parti-kelsensor, den Alexander Bergmann und sein Team an der TU Graz entwickelt haben. Das hat großes Potezial, etwa bei der Navigation für die beste Fahrradroute.

Straßenkarten waren gestern. Wer heute neu in einer Stadt ist, navigiert über Google Maps. Auch für die Einheimischen zählt die App zu jenen, die man im Alltag häufig nutzt – etwa um zu erkunden, welcher Fahrrad-Weg am schnellsten zum Zielort führt. Längst beschränken sich die Empfehlungen der Navigations-Apps nicht mehr „nur“ auf die schnellste bzw. kürzeste Wegstrecke per Auto, Fahrrad oder zu Fuß. Sie informieren auch über das Verkehrsaufkommen und finden für uns – im Fall des Falles – die nächstgelegene Fahrrad-Werkstätte. Und bald vielleicht auch den Weg mit der geringsten Feinstaub-Belastung.

Möglich macht das der weltweit kleinste Partikelsensor. Paul Maierhofer vom Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz hat ihn mit Fachleuten des Halbleiterherstellers ams und mit Forschenden von Silicon Austria Labs (SAL) entwickelt. Bisherige Feinstaub-Sensoren sind zumindest so groß sind wie eine Zigarettenschachtel. Die Innovation des Grazer Teams misst nur 12 mal 9 mal 3 Millimeter und kann in Smartphones oder Smartwatches eingebaut werden. Damit lässt sich die Qualität der Umgebungsluft in Echtzeit messen. Bei erhöhten Feinstaubwerten wird Alarm geschlagen. Institutsleiter Alexander Bergmann: „Die Idee dahinter ist, dass jeder bzw. jede für sich selbst den Feinstaub in der unmittelbaren Umgebung messen und die Routen so wählen kann, dass diese durch möglichst feinstaubarme Gebiete führt. Aktuell gibt es in Graz nur 14 Messstationen. Die Feinstaub-Belastung kann einen Häuserblock neben der Messstation aber schon wieder ganz anders sein.“

Auch für den medizinischen Bereich sieht Bergmann große Potenziale: „Derzeit kann man nicht genau messen, wieviel Feinstaub ein einzelner Mensch einatmet. Der Sensor würde das ermöglichen und damit groß angelegte Studien, die die gesundheitlichen Auswirkungen erforschen.“ Ein hochaufgelöster Airquality-Index in Echtzeit wäre durch solche Sensoren möglich. Bislang gibt es Großraum-Daten. Für die direkte Wohn-Umgebung haben diese aber wenig Aussagekraft.

Ein „Radar-Kasten“ für Feinstaub

Noch einen Schritt weiter geht das Projekt CARES. Ganz ähnlich wie eine Radar-Messstation erkennt, welches Auto zu schnell gefahren ist, soll das in Zukunft auch mit „Abgas-Sünderinnen und -Sündern“ funktionieren. Bergmann beschreibt den „Remote-Sensing-Ansatz“, der ab Ende 2021 in Mailand getestet werden soll: „Studien zeigen, dass weniger als 10 Prozent der Fahrzeuge für 80 Prozent der Emissionen verantwortlich sind. Man kann die Luftqualität immens verbessern. Wenn die Städte strengere Abgasnormen definieren und all jene Fahrzeuge ‚herausfischen‘, die diese Grenzwerte überschreiten“, ist Bergmann überzeugt.
Im Vorgängerprojekt haben Forschende der TU Graz mit internationalen PartnerInnen ein Verfahren entwickelt, das erstmals Partikel unter 10 Nanometern messen kann. Das ist eine wesentliche Basis für strengere Abgasnormen. Nur wenn man schon geringste Überschreitungen effizient messen kann, lässt sich die Einhaltung der Normen kontrollieren. „Und das wird noch einige Zeit großes Thema sein. So schnell verschwinden die Verbrennungsmotoren nicht“, steht für Bergmann außer Frage.
Die Forschenden tragen mit ihrer Arbeit nicht nur zum Schutz der Umwelt bei. Sie lassen sich auch von ihr inspirieren, da die Biologie viele Konzepte bietet. Bergmann erläutert dies anhand eines Beispiels aus der Tierwelt: „Wir sehen uns die Strukturmerkmale des Auges von bestimmten Insekten ganz genau an und bilden diese dann in Antennenstrukturen für Mikrowellen ab. In einem Projekt mit Infineon erforschen wir dieses Konzept, um kleinste Verzerrungen drahtlos messbar zu machen. So wollen wir Rückschlüsse für andere Verfahren, etwa für Momenten-Messungen in Antrieben, gewinnen. Hier fehlt es noch an einem brauchbaren Sensor. Das Potenzial ist groß.“
Darüber hinaus gibt es in der Umwelt-Sensorik viele spannende Forschungsfelder. Die Dissertantin Tanja Wallner forscht am Institut in Kooperation mit SAL an neuen Konzepten für die Messung von besonders klimaschädlichen Bestandteilen von Feinstäuben. Theresa Loss verfolgt im Rahmen ihrer Doktorarbeit in Kooperation mit der Firma Eologix innovative Ansätze zur Überwachung von Windrädern zur Energieerzeugung.

Es gibt noch viel zu tun …

Sensorik und Biologie sollten in Zukunft noch weiter zusammenrücken, hofft Bergmann. „Die Feinstaubmessung ist ein gutes Beispiel dafür, wie Sensoren die Gesundheit von Menschen verbessern können. Auch Smart Watches, Pulsmesser und Co. fallen in diesen Bereich. Viel Potenzial gibt es bei der Erfassung und Digitalisierung von Gesundheits- und Krankheitsdaten, wie die aktuelle Krise zeigt. Auch lästige Nadelstiche, etwa für Glukose- oder Laktatmessungen, ließen sich durch intelligente Sensoren vermeiden. Die Technologisierung der Biologie bietet viele Chancen, die Gesundheit der Menschen zu verbessern. Und für uns Forschende ist es ein schönes Gefühl, wenn wir dazu beitragen können.“

Studieren an der TU Graz: Nach dem Bachelorstudium der Elektrotechnik können Studierende die Masterstudien Elektrotechnik und Elektrotechnik-Wirtschaft belegen. Im Wintersemester 2021/22 startet an der TU Graz das neue Bachelorstudium Digital Engineering an der Schnittstelle von Elektrotechnik, Maschinenbau und Informatik. Das englischsprachige Masterstudium Information and Computer Engineering kombiniert Informatik mit Elektrotechnik. Es bietet neben vielfältigen inhaltlichen Vertiefungsmöglichkeiten – von Information Security über Visual Computing oder Robotics bis zu Embedded and Automotive Systems – auch einen Major in Internet of Things.
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I want to ride my bicycle: Von Alltag bis Ausflug

Das Fahrrad ist sicher eine unkomplizierte und schnelle Art, durch die Grazer Innenstadt zu kommen. Die Radelndenquote – nicht nur unter den Studierenden – ist daher sehr hoch. Für den sportlichen Faktor in Sachen Drahtesel sorgen in der Murmetropole die Mountainbike-Strecken auf den Schöckl oder die Platte sowie durch den Leechwald. Um nur ein paar Beispiele zu nennen. Viele Sportlerinnen und Sportler lieben aber auch die Ausflugsqualität des deutlich gemütlicheren Murradweges.

Park mit vielen verweilenden Menschen an einem Fluss im frühen Frühling.

Auch der Grazer Augarten liegt am Murradweg – allerdings lädt er eher zum gemütlichen Verweilen als zum Durchfahren ein.

Graz verfügt über ein 123 Kilometer langes Radverkehrsnetz, das laufend ausgebaut wird. Nach oben und unten gibt es keine Grenzen. Im wahrsten Sinne des Wortes. Graz liegt am Murradweg, der die Hohen Tauern in Salzburg mit Bad Radkersburg direkt an der slowenischen Grenze verbindet. Von der Grazer Innenstadt radelt man vorbei an der Augarten-Bucht und dem lässigen Backsteinbau der Seifenfabrik in Richtung Süden. In rund 40 Kilometern ist man im Weinland und hat die Qual der Wahl, in welche der zahlreichen Buschenschänken man für eine Jause einkehrt.

Wer die Stadt hingegen in Richtung Norden verlässt, fährt durch historische Städte wie Bruck und Murau, vorbei an imposanten Bergketten. Mit der notwendigen Ausdauer schafft man es wie gesagt bis zum Ursprung der Mur in den Hohen Tauern. Insgesamt ist der Murradweg 365 Kilometer lang. Für jene, die sich das nicht zutrauen: An vielen Punkten der Strecke können FahrerIn und Zweirad die Rückfahrt auch bequem mit dem Zug antreten.

Sie möchten an der TU Graz studieren? Praktische Tipps und umfassende  Informationen über Österreich im Allgemeinen und die Stadt Graz im Speziellen finden Sie auf der Webseite „Leben in Graz für Studierende“.

Rote Buchstaben mit der Bezeichnung Screenshots, Mann im Hintergrund

Die Forschenden der TU Graz suchen Lösungen für die brennenden Probleme der Gegenwart. Welche Themen sie derzeit auf dem Schirm haben und was man studieren kann, um wie sie die Zukunft zu verändern, erfahren Sie auf TU Graz screenshots.

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Alexander BERGMANN
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Tel.: +43 316 873 30570
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