MIT-Ingenieure bauen eine Batterie

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Wissenschaftler schätzen, dass mehr als 95 Prozent der Ozeane der Erde nie beobachtet wurden, was bedeutet, dass wir weniger vom Ozean unseres Planeten gesehen haben als auf der anderen Seite des Mondes oder auf der Marsoberfläche.

Die hohen Kosten für die Stromversorgung einer Unterwasserkamera über einen langen Zeitraum, wenn man sie an ein Forschungsschiff anbindet oder ein Schiff zum Aufladen seiner Batterien schickt, stellt eine große Herausforderung dar, die eine umfassende Unterwassererkundung verhindert.

MIT-Forscher haben einen großen Schritt zur Überwindung dieses Problems getan, indem sie eine batterielose, drahtlose Unterwasserkamera entwickelt haben, die etwa 100.000 Mal energieeffizienter ist als andere Unterwasserkameras. Das Gerät macht auch in dunklen Unterwasserumgebungen Farbfotos und überträgt Bilddaten drahtlos durch das Wasser.

Die autonome Kamera wird mit Ton betrieben. Es wandelt mechanische Energie aus Schallwellen, die sich durch Wasser bewegen, in elektrische Energie um, die seine Bild- und Kommunikationsgeräte antreibt. Nach der Erfassung und Kodierung der Bilddaten überträgt die Kamera mithilfe von Schallwellen Daten an einen Empfänger, der das Bild rekonstruiert.

Da sie keine Stromquelle benötigt, könnte die Kamera wochenlang laufen, bevor sie zurückgeholt wird, was es Wissenschaftlern ermöglicht, abgelegene Teile des Ozeans nach neuen Arten zu durchsuchen. Es könnte auch verwendet werden, um Bilder der Meeresverschmutzung aufzunehmen oder die Gesundheit und das Wachstum von Fischen zu überwachen, die in Aquakulturfarmen gezüchtet werden.

„Eine der spannendsten Anwendungen dieser Kamera ist für mich persönlich die Klimaüberwachung. Wir erstellen Klimamodelle, aber uns fehlen Daten von über 95 Prozent des Ozeans. „Diese Technologie könnte uns helfen, genauere Klimamodelle zu erstellen und besser zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Unterwasserwelt auswirkt“, sagt Fadel Adib, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik und Direktor der Signalkinetik-Gruppe im MIT Media Lab. und leitender Autor eines neuen Artikels über das System.

Zu Adib gesellen sich bei dem Papier die Co-Hauptautoren und Forschungsassistenten der Signal Kinetics-Gruppe Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar und Osvy Rodriguez sowie der Forschungswissenschaftler Unsoo Ha und die ehemaligen Gruppenforscher Mario Doumet und Reza Ghaffarivardavagh. Das Papier wird heute in Nature Communications veröffentlicht.

Ohne Batterie

Um eine Kamera zu bauen, die über lange Zeiträume autonom arbeiten kann, benötigten die Forscher ein Gerät, das unter Wasser selbstständig Energie gewinnen und dabei sehr wenig Strom verbrauchen kann.

Die Kamera erfasst Energie mithilfe von Wandlern aus piezoelektrischen Materialien, die an ihrer Außenseite angebracht sind. Piezoelektrische Materialien erzeugen ein elektrisches Signal, wenn eine mechanische Kraft auf sie ausgeübt wird. Wenn eine Schallwelle, die sich durch das Wasser bewegt, auf die Wandler trifft, vibrieren diese und wandeln diese mechanische Energie in elektrische Energie um.

Diese Schallwellen könnten von jeder Quelle kommen, etwa von einem vorbeifahrenden Schiff oder Meereslebewesen. Die Kamera speichert die gewonnene Energie, bis sie genug Energie hat, um die Elektronik zu betreiben, die Fotos aufnimmt und Daten übermittelt.

Um den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten, verwendeten die Forscher handelsübliche Bildsensoren mit extrem geringem Stromverbrauch. Diese Sensoren erfassen jedoch nur Graustufenbilder. Und da es in den meisten Unterwasserumgebungen an einer Lichtquelle mangelt, musste auch ein Blitz mit geringer Leistung entwickelt werden.

„Wir haben versucht, die Hardware so weit wie möglich zu minimieren, und das führt zu neuen Einschränkungen beim Aufbau des Systems, beim Senden von Informationen und bei der Durchführung der Bildrekonstruktion. Es erforderte einiges an Kreativität, um herauszufinden, wie das geht“, sagt Adib.

Sie lösten beide Probleme gleichzeitig mit roten, grünen und blauen LEDs. Wenn die Kamera ein Bild aufnimmt, lässt sie eine rote LED leuchten und verwendet dann Bildsensoren, um das Foto aufzunehmen. Der gleiche Vorgang wird mit grünen und blauen LEDs wiederholt.

Auch wenn das Bild schwarzweiß aussieht, spiegelt sich das rote, grüne und blaue Licht im weißen Teil jedes Fotos wider, erklärt Akbar. Durch die Zusammenführung der Bilddaten in der Nachbearbeitung lässt sich das Farbbild rekonstruieren.

„Als wir Kinder im Kunstunterricht waren, wurde uns beigebracht, dass wir mit drei Grundfarben alle Farben erzeugen können. Für Farbbilder, die wir auf unseren Computern sehen, gelten die gleichen Regeln. Wir brauchen nur Rot, Grün und Blau – diese drei Kanäle – um Farbbilder zu erstellen“, sagt er.

Senden von Daten mit Ton

Sobald Bilddaten erfasst wurden, werden sie als Bits (1 und 0) codiert und mithilfe eines Prozesses namens Unterwasser-Rückstreuung bitweise an einen Empfänger gesendet. Der Empfänger sendet Schallwellen durch das Wasser an die Kamera, die als Spiegel fungiert und diese Wellen reflektiert. Die Kamera reflektiert entweder eine Welle zurück zum Empfänger oder wandelt ihren Spiegel in einen Absorber um, sodass sie nicht zurückreflektiert wird.

Ein Hydrophon neben dem Sender erkennt, ob ein Signal von der Kamera zurückreflektiert wird. Wenn es ein Signal empfängt, ist das ein Bit-1, und wenn kein Signal vorhanden ist, ist das ein Bit-0. Das System verwendet diese binären Informationen, um das Bild zu rekonstruieren und nachzubearbeiten.

„Da dieser gesamte Prozess nur einen einzigen Schalter erfordert, um das Gerät von einem nichtreflektierenden Zustand in einen reflektierenden Zustand umzuwandeln, verbraucht er fünf Größenordnungen weniger Strom als typische Unterwasserkommunikationssysteme“, sagt Afzal.

Die Forscher testeten die Kamera in mehreren Unterwasserumgebungen. In einem davon haben sie Farbbilder von Plastikflaschen aufgenommen, die in einem Teich in New Hampshire schwammen. Sie konnten auch so hochwertige Fotos von einem afrikanischen Seestern machen, dass winzige Tuberkel entlang seiner Arme deutlich zu erkennen waren. Das Gerät war auch effektiv bei der wiederholten Abbildung der Unterwasserpflanze Aponogeton ulvaceus in einer dunklen Umgebung im Laufe einer Woche, um ihr Wachstum zu überwachen.

Nachdem sie nun einen funktionierenden Prototypen vorgeführt haben, planen die Forscher, das Gerät so zu verbessern, dass es für den Einsatz in realen Umgebungen praktisch ist. Sie möchten den Speicher der Kamera vergrößern, damit sie Fotos in Echtzeit aufnehmen, Bilder streamen oder sogar Unterwasservideos aufnehmen kann.

Außerdem wollen sie die Reichweite der Kamera erweitern. Sie übertrugen erfolgreich Daten aus einer Entfernung von 40 Metern zum Empfänger, aber eine Vergrößerung dieser Reichweite würde es ermöglichen, die Kamera in mehr Unterwasserumgebungen einzusetzen.

„Dies wird großartige Möglichkeiten für die Forschung sowohl an IoT-Geräten mit geringem Stromverbrauch als auch für die Unterwasserüberwachung und -forschung eröffnen“, sagt Haitham Al-Hassanieh, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign nicht an dieser Forschung beteiligt.

Diese Forschung wird teilweise vom Office of Naval Research, dem Sloan Research Fellowship, der National Science Foundation, dem MIT Media Lab und dem Doherty Chair in Ocean Utilization unterstützt.

Prof. Fadel Adib spricht mit CBC Radio über die Arbeit seines Labors an der Entwicklung einer drahtlosen, batterielosen Unterwasserkamera, die mit Schallwellen betrieben wird. „Wir wollen sie beispielsweise zur Überwachung von Unterwasserströmungen nutzen können, da diese in hohem Maße mit den Auswirkungen auf das Klima zusammenhängen“, sagt Adib. „Oder sogar Unterwasserkorallen, wenn man sieht, wie sie vom Klimawandel betroffen sind und wie potenzielle Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels ihnen dabei helfen, sich zu erholen.“

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