04.09.2019 - Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)

Umweltsündern auf der Spur

Neuartiges Sensorsystem weist umweltschädigende Substanzen im Abwasser nach

Kriminelle Machenschaften nachzuweisen, kann mitunter schwierig sein: Etwa bei Akteuren, die schädliche Abwässer heimlich in die Kanäle einleiten. Ein neues Sensorsystem von Fraunhofer-Forschern und ihren Partnern könnte die Sicherheitsbehörden künftig bei dem Nachweis unterstützen: Im Abwasserkanal positioniert, spürt es entsprechende Inhaltstoffe auf und hilft, Umweltsünder einzugrenzen und zu entlarven.

Schwarze Schafe gibt es immer wieder – auch in der Industrie. Denn während der Großteil der Firmen ihre Abwässer ordnungsgemäß entsorgt, scheuen einige wenige die damit verbundenen Kosten und leiten das schädliche Abwasser heimlich, still und leise in die Kanäle ein. Bislang fehlen den Sicherheitsbehörden größtenteils die Möglichkeiten, einer solchen Umweltkriminalität großflächig auf die Schliche zu kommen: Dies würde die Kapazitäten der Mitarbeiter bei Weitem übersteigen. Die Betreiber von Kläranlagen stellen solche gesetzeswidrigen Abwässer jedoch vor große Herausforderungen – sie können sogar dazu führen, dass die Kläranlagen kippen.

Umweltschädigende Substanzen im Abwasser nachweisen

Ein neuartiges Sensorsystem könnte es den Sicherheitsbehörden künftig erleichtern, solche Delikte aufzudecken. Entwickelt haben die Technologie – gemeinsam mit Partnern – die Forscher der Fraunhofer-Institute für Integrierte Schaltungen IIS und für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im EU-Projekt Micromole. »Das Sensorsystem soll bestimmte Substanzen im Wasser nachweisen, die in solchen Abwässern typischerweise enthalten sind«, erläutert Dr. Matthias Völker, Gruppenleiter am Fraunhofer IIS. »Es besteht aus zwei Sensorkomponenten: Physikalischen Sensoren und einem chemischen Sensor. Weitere Systeme sind: Energiemanagement, Steuerung- und Kommunikation und ein Probenentnahmesystem.« Führen solche Abwässer an Kläranlagen wiederholt zu Problemen, könnten die Sicherheitsbehörden das Abwassersystem an bestimmten Stellen überprüfen, den Übeltäter durch mehrere Messungen immer weiter eingrenzen und schließlich enttarnen.

Für solche Messungen setzt ein Roboter im Abwasserrohr drei Ringe ein. Der erste Ring wird direkt vor dem Zulauf der verdächtigen Firma positioniert, der zweite direkt dahinter. An beiden dieser Ringe befindet sich jeweils ein physikalischer Sensor, der Parameter wie die Temperatur, den pH-Wert oder auch die Leitfähigkeit des Wassers misst. Über eine Funkverbindung stehen diese beiden Ringe miteinander in Kontakt und vergleichen die von ihren Sensoren gemessenen Werte. Unterscheiden sie sich, könnte dies darauf zurückzuführen sein, dass aus dem fokussierten Gebäude schädliche Abwässer eingeleitet wurden. Auf das entsprechende Signal des zweiten Rings »erwachen« nun die Systeme am dritten Ring, der etwas weiter hinten im Abwasserkanal befestigt ist: Genauer gesagt ein chemischer Sensor und ein Probenentnahmesystem. Für den chemischen Sensor entnimmt eine Mikropumpe einige Mikroliter des Abwassers, verdünnt diese und leitet sie auf den chemischen Sensor. Auf diesem befinden sich sechs Elektroden, die jeweils mit einer speziellen Beschichtung aus Polymeren überzogen sind. Das Besondere: In diesen Polymerschichten befinden sich Lücken, in die bestimmte Schadstoffe jeweils genau hineinpassen – ähnlich wie Puzzleteilchen. Binden sie auf diese Weise an die Polymerschicht, ändert sich ihre elektrische Kapazität. Solche Kapazitätsänderungen auf den Elektroden legen also nahe, dass sich bestimmte Schadstoffe im Abwasser befinden. Vor Gericht gilt dies jedoch nicht als Beweis. Daher entnimmt das System zudem eine kleine Probe des Abwassers, das dann von Menschenhand im Labor genau überprüft werden kann. Damit der chemische Sensor für mehrere Messungen eingesetzt werden kann, spült eine Waschlösung die angebundenen Moleküle nach jeder Messung wieder heraus.

Das Sensorsystem ist in einer Kooperation mehrerer Forschungseinrichtungen und weiterer Partner entstanden. Die Forscher des Fraunhofer IIS haben dabei die Entwicklung der Elektronik, der Signalerfassung und -auswertung des Sensormoduls sowie der Energieversorgung des Systems übernommen. Ihre Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IZM waren für das BUS-System auf dem Metallring zuständig und für den Entwurf der wasserdichten Steckkontakte zu den einzelnen Komponenten sowie der wasser- und chemikaliendichten Gehäuse. Zudem haben sie die physikalischen Sensoren miniaturisiert.

Großangelegter Testlauf geplant

Die einzelnen Komponenten wurden zunächst bei den Partnern im Labor geprüft, anschließend im Zusammenspiel in einem künstlichen Abwassersystem mit realem Abwasser. In einem dritten Schritt wurden verschiedene Komponenten in einem realen Abwasserrohr getestet. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend: »Das System konnte verdächtige Abwässer aufspüren und einen entsprechenden Alarm auslösen«, fasst Harald Pötter, Abteilungsleiter am Fraunhofer IZM, zusammen. In einem Nachfolge-Projekt wollen die Forscher des Fraunhofer IZM nun mit Partnern in fünf europäischen Städten einen großangelegten Testlauf der physikalischen Sensoren des Systems durchführen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • chemische Sensoren
  • Schadstoffe
Mehr über Fraunhofer-Institut IZM
  • News

    LED-Produkte im Wandel

    Leuchtdioden (LEDs) sind energieeffizient und quecksilberfrei, beanspruchen jedoch kritische Ressourcen. Im Verbundprojekt cycLED arbeiteten Wissenschaft und Wirtschaft daran, den Ressourcenverbrauch zu reduzieren, die Lebensdauer von LED-Produkten zu erhöhen und ein besseres Recycling zu f ... mehr

    Lignin als nachwachsender Rohstoff für Elektronikbauteile

    Unter Koordination des Fraunhofer Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) startet ein Verbund aus neun Partnern seine Arbeiten zu Biokunststoffen auf Lignin-Basis, um konventionelle Kunststoffe in der Elektronikindustrie zu ersetzen. Das Verbundvorhaben „Lignin als nachwach ... mehr

    Biegsame Kunststoff-Chips überwachen Körperfunktionen

    Ein kleines Blutlabor für die Jackentasche, das vor einem Langstreckenflug rasch die Gefahr eines Blutgerinnsels in den Beinen analysiert, oder ein Sensorarmband, das Elektrosmog messen kann und Patienten mit Herzschrittmachern vor lebensbedrohlicher Strahlung warnt - »intelligentes Plastik ... mehr

  • Firmen

    Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)

    Fraunhofer ist die größte Organisation für anwendungsorientierte Forschung in Europa. Die Forschungsfelder richten sich nach den Bedürfnissen der Menschen: Gesundheit, Sicherheit, Kommunikation, Mobilität, Energie und Umwelt. Sie betreibt derzeit rund 80 Forschungseinrichtungen - darunter 5 ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM)

    Die Systemintegration und das Packaging elektronischer Produkte entwickeln sich zunehmend zu einem entscheidenden Faktor für den wirtschaftlichen Erfolg von Zulieferern und Anwendern aus den Bereichen Consumer Electronics, Telekommunikation, Maschinenbau und dem Automobilsektor. Um sich in ... mehr

Mehr über Fraunhofer-Institut IIS
  • News

    Neuartige Farbsensoren kostengünstig herstellen

    Im Projekt FOWINA ist es dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen und dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg gelungen, neuartige Farbsensoren mit speziellen Linsenanordnungen zu entwickeln. Die Sensoren lassen sich direkt auf Chipebene realis ... mehr

    Live-Bilder aus dem Werkstoffinneren

    Röntgen ist ein bewährtes Prüfverfahren für Bauteile und Werkstoffe. Forscher entwickeln jetzt einen Röntgendetektor, der besonders hochwertige dreidimensionale Bilder in Echtzeit liefern soll. Damit lassen sich sogar Prozesse im Werkstoffinneren exakt nachvollziehen. Mikrorisse und kleinst ... mehr

    Forscher erhalten Joseph-von-Fraunhofer-Preis für 3D-Hall-Sensor

    Für die Entwicklung eines Magnetfeldsensors, den 3D-Hall-Sensor, erhalten Michael Hackner, Dr.-Ing. Hans-Peter Hohe und Dr.-Ing. Markus Stahl-Offergeld vom Fraunhofer IIS aus Erlangen den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2013. Dieser wird seit 1978 jährlich von der Fraunhofer-Gesellschaft für he ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS)

    Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS betreibt im Auftrag von Industrieunternehmen und öffentlichen Einrichtungen angewandte Forschung und Entwicklung. Unter der kollegialen Leitung von Prof. Dr.-Ing. Heinz Gerhäuser (geschäftsführend) und Prof. Dr.-Ing. Günter Elst entwic ... mehr

Mehr über Fraunhofer-Gesellschaft
  • News

    Pflanzliche Proteine ersetzen erdölbasierte Rohstoffe

    Proteine gehören wie Cellulose, Lignin und Fette zu den nachwachsenden Rohstoffen. Ihr Potenzial für die chemische Industrie wird bisher kaum genutzt. Dies wollen Forscherteams des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV gemeinsam mit Partnern ändern und die vielverspr ... mehr

    Ab wann werden Graphen-basierte Massenprodukte auf dem Markt verfügbar sein?

    Wie steht es um die angekündigten Anwendungen aus Graphen und verwandten Materialien? Dank Initiativen wie dem Graphene Flagship der Europäischen Union und hohen Investitionen aus der Industrie ist die Zeit nun allmählich reif, um Graphen-basierte Prototypen und Nischenanwendungen herzustel ... mehr

    Neuartiger Mikroreaktor für Grignard-Reagenzien

    Victor Grignard erhielt 1912 den Nobelpreis für Chemie: Seither haben sich die nach ihm benannten Grignard-Reagenzien einen festen Platz in der chemischen und pharmazeutischen Industrie erobert. Ein neuartiger Mikroreaktor von Fraunhofer-Forschern lässt diese Reaktionen nun schneller und si ... mehr

  • Videos

    Effektive Abwasserreinigung durch Nanofiltration

    Wasser ist lebenswichtig – Abwässer müssen daher möglichst effizient gereinigt werden. Möglich machen das keramische Membranen, mit denen erstmalig 200 Dalton kleine Moleküle abtrennbar sind. Dieses Video zeigt, dass sich hiermit auch Industrie-Abwässer effizient reinigen lassen.Dr. rer. na ... mehr

    Flüssigkristalle als Schmierstoffe

    Schmierstoffe sind fast überall im Einsatz – in Motoren, Produktionsmaschinen, Getrieben, Ventilen. Obwohl sie in nahezu allen Maschinen für einen ruhigen Lauf sorgen, gab es auf diesem Gebiet in den vergangenen beiden Jahrzehnten keine grundlegenden Innovationen. Das Fraunhofer-Institut fü ... mehr

    Briefkontrolle mit Terahertz-Wellen

    Bislang ist es recht aufwändig, Briefe sicher und zuverlässig auf gefährliche Inhaltsstoffe wie Sprengstoffe oder Drogen hin zu untersuchen. Abhilfe könnte ein neuer Terahertz-Scanner schaffen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Kaiserslautern und der Hüb ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

    Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa. Unter ihrem Dach arbeiten 59 Institute an über 40 Standorten in ganz Deutschland. Rund 17 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter erzielen das jährliche Forschungsvolumen von 1,5 Mrd Euro. Davon erwir ... mehr