Ein Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine eigenständige drahtlose Unterwasserkamera entwickelt, die ohne Batterie funktioniert. Die benötigte Energie bezieht es aus der mechanischen Energie von Schallwellen, die sich durch das Wasser bewegen, und wandelt sie an Bord in elektrische Energie um. Darüber hinaus ist die Kamera laut einer am Montag in Nature Communications veröffentlichten wissenschaftlichen Abhandlung deutlich energieeffizienter als andere Unterwasserkameras. Mit Hilfe der Kamera wollen Wissenschaftler bisher unerforschte Gebiete der Ozeane erkunden und zur Klimaüberwachung beitragen.
Schallwellenenergie
MIT-Forscher haben eine Unterwasserkamera entwickelt, die etwa 100.000 Mal energieeffizienter ist als alle bisherigen Unterwasserkameras, schreiben sie in dem in Nature Communications veröffentlichten Artikel „Battery-Free Wireless Imaging of Underwater Environments“. Neben der Energieeffizienz ist eine permanente Energieversorgung wichtig, die kein Austauschen oder Aufladen von Batterien erfordert. Nur so kann die Kamera wochenlang einsatzbereit bleiben, ohne erneut aufs Meer fischen zu müssen.
Das gelang den Forschern mit ihrer Unterwasserkamera, indem sie die mechanische Energie von Schallwellen, die sich durch Wasser bewegen, in elektrische Energie umwandelten. Die so erzeugte Energie reicht aus, um die Kamerakomponenten wie Bildgebungs- und Kommunikationsgeräte zu betreiben.
Dazu nutzen die Wissenschaftler piezoelektrische Materialien, die außen an der Kamera angebracht werden. Trifft eine Schallwelle, beispielsweise von Schiffen oder Meereslebewesen, auf die Wandler, schwingen die Materialien und wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Kamera speichert diese Energie. Wenn es reicht, mach Fotos und schick sie.
Energieeffiziente Bildübertragung
Die Kamera basiert auf handelsüblichen Bildsensoren, die allerdings sehr wenig Strom benötigen, aber auch nur Graustufenbilder aufnehmen können. Auch eine energiesparende Taschenlampe für die Unterwasserfotografie musste entwickelt werden. Forscher beleuchten eine Szene nacheinander mit rotem, grünem und blauem LED-Licht. Obwohl das Bild in Schwarzweiß erscheint, wird das rote, grüne und blaue Licht vom weißen Teil jedes Fotos reflektiert. In der Nachbearbeitung werden die Bilddaten kombiniert und das Farbbild rekonstruiert, erklärt Waleed Akbar, einer der beteiligten Wissenschaftler, das verwendete Verfahren.
Die Kamera sendet die bitgewandelten Bilddaten unter Verwendung eines Unterwasser-Backscatter-Verfahrens an einen Empfänger. Der Empfänger sendet zunächst Schallwellen an die Kamera. Die Kamera reflektiert diese Welle entweder oder absorbiert sie, je nachdem, ob ein 1-Bit oder ein 0-Bit übertragen werden soll. Beim Empfänger werden die Reflektionen und Reflektionsausfälle entsprechend in Bits interpretiert, damit später aus den Daten das Bild wiederhergestellt werden kann.
„Da nur ein einziger Schalter erforderlich ist, um das Gerät von einem nicht-reflektierenden Zustand in einen reflektierenden Zustand zu wechseln, verbraucht dieser gesamte Prozess fünf Größenordnungen weniger Energie als typische Unterwasser-Kommunikationssysteme“, sagt Sayed Saad Afzal, einer der Mitarbeiter von das Projekt.
Meeresforschung und Klimaüberwachung
Die Wissenschaftler testeten den Prototyp der Unterwasserkamera in verschiedenen aquatischen Umgebungen. Es gelang ihnen, vergleichsweise detaillierte Fotos von Plastikflaschen, Seesternen und Unterwasserpflanzen zu machen und zu übermitteln.
Beispiele für Fotos, die mit der Unterwasserkamera des MIT aufgenommen wurden: Plastikflasche, Seestern und Entwicklung einer Wasserpflanze über mehrere Tage.
(Bild: MIT)
Für den Einsatz in den Ozeanen ist die Unterwasserkamera allerdings noch nicht geeignet. Bisher war eine Datenübertragung nur in einer Entfernung von etwa 40 Metern möglich. Wissenschaftler wollen nun die Reichweite erhöhen. Auch der Kameraspeicher soll erweitert werden. Anschließend können mehrere Fotos nacheinander aufgenommen und Videos abgespielt werden.
Laut MIT-Forschern kann die Unterwasserkamera verwendet werden, um in abgelegenen Teilen des Ozeans nach neuen Arten zu suchen, die Meeresverschmutzung zu überwachen und die Gesundheit von Fischen in Aquakulturfarmen zu überwachen. Eine wichtige Anwendung könnte auch in der Klimaüberwachung und Klimamodellierung liegen. Diese könnten genauer werden, wenn mehr Daten verfügbar werden. Für mehr als 95 Prozent der Ozeane fehlen derzeit Daten.
(nicht bewusst)
Auf der Homepage