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Pulmologie 27. Mai 2014

Mein Smog? Dein Smog? Unser Smog!

Ein Aufstecker für ein handelsübliches Smartphone soll bessere Daten zur Smogbelastung zu sammeln.

Fotos aus Großstädten zeigen das Ausmaß der Feinstaubbelastung deutlich. Aber wie sieht es in der eigenen Umgebung aus, an der Lieblingsjoggingstrecke zum Beispiel? Deutsche Wissenschaftler entwickeln einen Sensor, der sich einfach an ein Smartphone anschließen lässt.

Zukünftig sollen Nutzer über gemeinschaftliches Messen mittels Smartphones beim Erstellen einer Smog-Belastungskarte mitwirken können. Schließlich wird die Karte umso genauer, je mehr Menschen sich beteiligen.
Das Prinzip der Feinstaub-Messung per Smartphone entspricht dabei dem einfacher optischer Sensoren: „Anstelle der sonst in Sensoren üblichen Infrarot-LED gibt hier der Blitz des Smartphones Licht in den Messbereich ab. Sind dort Staub oder Rauch vorhanden, streuen sie dieses Licht. Die Kamera dient als Rezeptor und fängt das Messergebnis als Bild auf. Anschließend lässt sich die Helligkeit der Pixel in die Staubkonzentration umrechnen“, sagt Informatiker Matthias Budde. Er hat das System am Karlsruher Institut for Technology (KIT) entwickelt.

Quantität schlägt in diesem Fall Qualität

Bei der Genauigkeit können die Smartphone-Sensoren mit den spezialisierten Geräten zwar noch nicht konkurrieren, ihr Vorteil ist aber freilich der Preis. „Die Geräte an den offiziellen Messstationen der Landesanstalt für Umwelt- und Messtechnik in Baden-Württemberg sind sehr präzise, aber auch sehr groß, sehr teuer und statisch. Deshalb gibt es etwa in Karlsruhe nur zwei solche Messpunkte“, so Budde. Größere Genauigkeit will er über eine hohe Messdichte erreichen. Messungen vieler, nahe beieinander liegender Sensoren könnten zu Ergebnissen geringerer Ungenauigkeit kombiniert werden, Messfehler ließen sich so verringern. Durch die lokale Nähe zueinander könnten Sensoren zudem gegeneinander kalibriert werden. Als mögliches Anwendungsszenario sieht er daher vor allem das gemeinschaftliche Messen oder Participatory Sensing: Interessierte nehmen an unterschiedlichen Orten in ihrer Stadt Messdaten auf und teilen sie. Daraus, so Buddes Idee, ließe sich dann eine Feinstaubbelastungskarte für die jeweilige Stadt in Echtzeit erstellen.

Lokale als auch nationale Vernetzung

Der Sensor soll sich für Messungen künftig einfach – etwa mit einem Magneten – am Smartphone befestigen lassen. Die Nutzer müssten sich lediglich die entsprechende App herunterladen. Am gewünschten Messpunkt setzen sie dann den Sensor auf ihr Handy, nehmen für die Messung ein Foto oder ein Video auf. Die Bilder können sowohl lokal ausgewertet als auch an ein Rechnersystem gesendet werden, das die Daten mit anderen Messungen zusammenführt und zurücksendet. Das Display des Telefons zeigt dann die Feinstaubkonzentration an.

Empfindlichkeit noch nicht optimal

Zurzeit lassen sich so Konzentrationen von etwa einem Milligramm pro Kubikmeter Luft erkennen. Um groben Staub und Rauch zu entdecken, reicht das aus, für typische Feinstaubkonzentrationen, die sich im Mikrogramm-Bereich bewegen, noch nicht. Ziel der Forscher ist es nun, die Empfindlichkeit der Sensoren weiter zu erhöhen. Erreichen wollen sie das unter anderem, indem sie das Blitzlicht im Sensor mit Halbkugellinsen ideal bündeln. Umgesetzt haben sie das bereits in einem gerade fertiggestellten, bereits deutlich kleineren zweiten Prototyp. Dazu kommt die Weiterentwicklung der Auswertungsalgorithmen sowie der Smartphones selbst: Künftig werden die Geräte Fotos nicht mehr automatisch komprimieren, sondern auch die Rohdaten liefern können. Auch davon verspricht sich das Team noch einmal genauere Messergebnisse. Mit einem Smartphone-Sensor, der typischen Feinstaub entdecken kann, rechnet Matthias Budde im Lauf des kommenden Jahres.

Spieltrieb nützen

In seiner Untersuchung beschäftigt sich der Informatiker aber nicht nur mit der Weiterentwicklung des Sensors und den Möglichkeiten, aus den Messpunkten eine Karte zu erstellen, sondern auch mit der Frage, wie man die Bürger dazu motivieren kann, sich zu beteiligen. „Viele Menschen interessieren sich von sich aus für solche Angebote, weil sie den Nutzen für sich und andere sehen“, so Budde. Für Spielfreudige sei aber auch ein „Gamification“-System denkbar, in dem es für das Sammeln von Daten oder das Messen an einem bestimmten Ort beispielsweise Punkte gibt. Ein weiterer Aspekt beim gemeinschaftlichen Messen sei auch der Datenschutz: „Nutzerinnen und Nutzer müssen darauf vertrauen können, dass ihre Daten gegen Rückverfolgung und Diebstahl gesichert sind und für nichts anderes als das Erstellen der Belastungskarte verwendet werden.“ Eine Möglichkeit dafür sei das Aggregieren, also das Kombinieren und Bündeln, der Daten, sodass sie nicht mehr zu einer bestimmten Einzelperson zurückverfolgt werden können. Zentrale Idee des Participatory Sensing sei aber der gemeinsame Nutzen, der hier darin liege, dass die Qualität der Information mit der Zahl der Messungen zunimmt.

 

 

Karlsruher Institut for Technology (KIT) , springermedizin.at

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