Hilfe in der Knappheit

Der Feind sauberen Wassers sind Keime. Deren Nachweis kann dank intelligenter Sensorsysteme heute rasch und automatisiert erfolgen. Sensoren lassen sich aber für viele weitere Anwendungsfälle einsetzen. Dort zum Beispiel, wo der Klimawandel den sorgsamen Umgang mit knapper werdendem Wasser erzwingt.

Von Sonja Bettel

Durch den Klimawandel werden Starkregenereignisse häufiger. Damit steigt auch die Gefahr, dass Senkgruben oder Abwasserkanäle übergehen und Trinkwasservorkommen mit Bakterien wie z. B. Escherichia coli kontaminieren. Besitzer von Hausbrunnen sollten deshalb ihr Wasser nach derartigen Ereignissen auf Keime überprüfen lassen. Normalerweise bedeutet das: Eine Wasserprobe nehmen, diese zu einem Labor bringen oder einschicken, dort wird die Probe kultiviert, bewertet, ein Befund wird geschrieben und verschickt. Das alles dauert mehrere Tage, in denen man nicht weiß, ob man das Wasser aus dem eigenen Brunnen trinken kann oder nicht.

Einfacher, rascher und kostengünstiger ginge das mit einem Biosensor, dachten sich die Expert_innen des Zentrums für Wasser- und Umweltsensorik der Universität für Weiterbildung Krems – und haben einen solchen entwickelt. Das Gerät führt eine automatische Filtration von Wasserproben durch, fügt ein Wachstumsmedium hinzu, überträgt ein definiertes Probenaliquot auf eine Siebdruckelektrode und zeigt das Vorhandensein von E. coli mittels einer elektrochemischen Messung an. Mit dem entwickelten Labormuster war es möglich, innerhalb von maximal 18 Stunden fünf koloniebildende Einheiten von E. coli in 5 ml Wasserprobe nachzuweisen. Da der Test vollautomatisch ablaufen kann, ist es auch für eine Online-Datenübertragung zur Überwachung und Kontrolle der Wasserqualität geeignet.

„Elektrochemische Sensoren lassen sich sehr leicht mit Elektronik integrieren. Sie sind klein, kostengünstig und deshalb sehr gut für viele Anwendungen geeignet“, sagt Martin Brandl, der Leiter des Zentrums für Wasser- und Umweltsensorik. Wobei der Sensor nur ein Element ist. Für ein Sensorsystem benötigt man auch noch die Intelligenz, wie Martin Brandl es nennt. Der Sensor selbst wandelt eine physikalische oder chemische Größe in ein elektrisches Signal um. Dieses muss dann digitalisiert, gefiltert, korrigiert, verstärkt, interpretiert, eventuell mit anderen Sensorsignalen vernetzt und übertragen werden – „und all das wird in unseren Sensorsystemen abgebildet“, sagt Brandl.

Ein Sensorsystem, das Umweltdaten misst, sollte außerdem möglichst klein und robust sein. Aufgrund dieser umfangreichen Herausforderungen für die Entwicklung neuer Sensortechnologien zum raschen und sensitiven Nachweis von Spurenstoffen und mikrobiologischen Kontaminationen in Wasser und Umwelt ist das Zentrum in Krems interdisziplinär aufgestellt: Chemiker_innen, Mikrobiolog_innen, Physiker_innen und Elektronik-Fachleute arbeiten hier Hand in Hand in einem internationalen Team. „Wir entwickeln Sensorsysteme und haben im Gebiet Elektrochemie interessante Fortschritte gemacht“, erzählt Martin Brandl. Das Verfahren zum Nachweis von Escherichia coli beispielsweise wurde patentiert.

Wasserqualität in Flüssen

Ende 2022 wurde ein zweijähriges österreichisch-tschechisches Interreg-Projekt gemeinsam mit der Technischen Universität Brno abgeschlossen, das ein Online-Sensorsystem für die Untersuchung der Wasserqualität in Flüssen zum Ziel hatte. Die Sonde ist in einer Boje untergebracht und kann laufend die Wassertemperatur, den chemischen und biologischen Sauerstoffbedarf, Nitrat, Nitrit und andere relevante Parameter messen und per Funk übermitteln. Für den im Zuge des Projektes entwickelten Öl-Sensor erhielt das Team im Jahr 2022 einen Anerkennungspreis im Rahmen des Innovationspreises der Wirtschaftskammer Niederösterreich.

„Wir haben auch überlegt, Sensoren für Cyanobakterien zu entwickeln“, sagt Martin Brandl. Cyanobakterien bilden sich vermehrt in Seen aufgrund von Erwärmung und Überdüngung – auch eine Folge des Klimawandels aufgrund höherer Temperaturen und von Starkniederschlägen, die Dünger aus der Landwirtschaft abschwemmen und in die Gewässer eintragen. Die sogenannten Blaualgen bilden Giftstoffe, die bei Badenden Ausschläge verursachen und für Haustiere wie Hunde lebensgefährlich werden können.

Auch für die Überwachung von Krankenhauskeimen oder Allergenen in Lebensmitteln sind Sensorsysteme geeignet. An Sensorsystemen für Allergene arbeitet Lakshmi Devi Chakkarapani, die an der Universität Madras in Indien anorganische Chemie studierte, ihr Doktorat in analytischer Chemie erworben und sich an der Universität für Weiterbildung auf den elektrochemischen Nachweis von Bioaminen mit Hilfe von Siebdruckelektroden spezialisiert hat. So hat sie in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit dem AIT einen hochsensitiven elektrochemischen Sensor für Tyramin entwickelt, das bei der Zersetzung von Eiweißen im Zuge der Gärung oder Fermentation von Lebensmitteln entsteht und zu kritischen Blutdruckstörungen, Migräne oder Allergien führen kann.

Sensoren für Begrünung

Begeistert von Sensorsystemen ist auch der Landschaftsplaner Bernhard Scharf, der an der Universität für Bodenkultur und in mehreren, von ihm mitgegründeten Unternehmen Gebäudebegrünungen erforscht und entwickelt. Gemeinsam mit Martin Brandl untersucht er etwa durchlässige Substratmischungen für den Unterbau von Forststraßen, die Erosion vermeiden helfen sollen. Dafür liefern Wassersensoren die erforderlichen Daten. Ein weiteres Projekt befasst sich mit Garten-Balkonen zur Nachrüstung von Bestandsgebäuden. Diese Vertikalgärten können mit Gemüse, Kräutern und Obst bepflanzt und mit gespeichertem Regenwasser automatisch bewässert werden.

Die Begrünung von Gebäuden ist ein wichtiger Schritt, Städte auch in Zukunft lebenswert zu erhalten. Denn Beton, Asphalt und mangelnde Durchlüftung führen in Ballungsräumen zu Hitzestress, der über die vergangenen Jahre stärker wurde bis hin zur Lebensgefahr für vulnerable Gruppen. Im Zuge der Klimaerwärmung ist in Städten laut einer Prognose des National Center for Atmospheric Research der USA bis zum Ende des 21. Jahrhunderts eine um 4,4 Grad höhere Durchschnittstemperatur zu erwarten. Klimaanlagen allein reichen nicht aus, um dieses Problem in den Griff zu bekommen, denn die verbrauchen einerseits viel Strom und blasen andererseits Wärme ins Freie. Pflanzen hingegen kühlen durch Verdunstung, isolieren Dächer und Fassaden, nehmen CO₂ auf, filtern Staub, bieten Lebensraum für Insekten und Vögel und wirken positiv auf die Psyche des Menschen. „Eine wesentliche Rolle bei der Begrünung von Gebäuden spielt das Regenwassermanagement“, sagt Bernhard Scharf. Es geht darum, Niederschlagswasser zu sammeln und entsprechend dem Bedarf der Pflanzen abzugeben, sodass möglichst wenig Trinkwasser verbraucht wird, kein Niederschlagswasser durch Abfluss in den Kanal verloren geht und die Pflanzen immer ausreichend und niemals zu viel Wasser zur Verfügung haben, um gut gedeihen zu können. Das erhöht die Aufnahme von CO₂ und die Kühlungswirkung und spart Kosten für Pflegemaßnahmen oder Ersatzpflanzungen.

Smarte Abflussdrossel

Wie können Sensorsysteme da hilfreich sein? Bernhard Scharf: „Die smarte Abflussdrossel ist mit der Wetterprognose verbunden und leert den Speicher vor einem Regen, damit Platz für das neue Regenwasser frei wird und Starkniederschläge nicht verloren gehen.“ Weiteres Anwendungsbeispiel: Bodensensoren messen die Feuchtigkeit des Substrats in den Pflanzbehältern und steuern damit die Bewässerung der Pflanzen. So ein System wurde vor 12 Jahren zum ersten Mal bei der Begrünung des Bürogebäudes der Magistratsabteilung 48 am Margaretengürtel in Wien eingesetzt und funktioniere gut, erzählt der Begrünungsforscher. Mit den Sensoren kann ein automatischer Alarm per SMS oder E-Mail verbunden werden, falls eine Leitung bricht oder aufgrund eines Defekts die Begrünung überflutet wird.

Wird Grauwasser, Abwasser mit geringer Verschmutzung, zur Bewässerung einer Begrünung verwendet, so kann ein Sensor in der Zisterne z. B. den Füllstand oder den pH-Wert des Wassers messen und das System im Falle einer Kontamination oder Wassermangels auf die Zufuhr von Leitungswasser umschalten. Beim „Tröpferlbad 2.0“, einer kühlenden grünen Installation im Esterházypark in Wien-Mariahilf, dienen verschiedene mit dem Wetterbericht vernetzte Sensoren ebenfalls zur Steuerung: Wird viel Sonne erwartet, werden die Pflanzen stärker bewässert, ist Regen angekündigt, wird die Bewässerung abgedreht. Man könnte mit Sensorsystemen sogar detektieren, welche Pflanzen Hitzestress besonders gut aushalten, eine hohe Verdunstungsleistung haben und damit die beste Kühlungswirkung, sagt Bernhard Scharf. Dafür sei aber noch Forschung nötig.

MARTIN BRANDL
DI Dr. Martin Brandl leitet seit 2001 eine Forschungsgruppe am Zentrum für Wasser- und Umweltsensorik der Universität für Weiterbildung Krems. Im Fokus: die Entwicklung von miniaturisierten Sensoren für medizinische, wasserbezogene und umwelttechnische Anwendungen.

LAKSHMI DEVI CHAKKARAPANI
Lakshmi Devi Chakkarapani, PhD MSc. hat an der Universität Madras in Indien in analytischer Chemie promoviert. Während ihrer Doktorarbeit begann sie ein Praktikum als Forschungsassistentin an der École polytechnique fédérale de Lausanne, Schweiz. Sie arbeitet am Zentrum für Wasser- und Umweltsensorik der Universität für Weiterbildung Krems.

BERNHARD SCHARF
DI Dr. Bernhard Scharf, Universität für Bodenkultur Wien, forscht zu Ökosystemleistungen sowie zur Entwicklung von innovativen Dienstleistungen und technologischen Lösungen für grüne Infrastruktur im urbanen Kontext. Er ist Mitgründer der Spin-offs Green4cities, GREENPASS und NatureBASE.