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Verfahren zur automatisierten Erfassung von Gewässergüteparametern
Kai Unger   
März 2008

 Ein Beitrag von Schülern des Istanbul Lisesi zum Wettbewerb

Schüler bauen weltweit Brücken der DIHK

 
Das Ýstanbul Lisesi ist ein staatliches mathematisch-naturwissenschaftliches Gymnasium der Türkischen Republik. Gleichzeitig ist es eine Deutsche Auslandsschule (Begegnungsschule) und gehört damit zu dem Netzwerk der von Deutschland geförderten Schulen. Die Geschichte des Istanbul Erkek Lisesi reicht bis in das Jahr 1884 zurück und sie ist eine der wichtigsten Eliteschulen der Türkei. Seit Abschluss des Deutsch-Türkischen Kulturabkommens 1958 beteiligt sich die Bundesrepublik durch die Entsendung von Lehrern am Betrieb der einzigen staatlichen Schule mit Deutschprofil.

Viele Absolventen unserer Schule arbeiten in Deutschen Firmen wie Mercedes-Benz, Siemens usw. und bilden dabei auch ein Netzwerk zwischen Industrie und der Schule. Außerdem gibt es auch Partnerschaften mit berühmten, erfolgreichen Universitäten der Türkei wie Boðaziçi (Bosporus Universität), ITÜ (Ýstanbul Technical University) usw.

Das Ýstanbul Lisesi hat viele Traditionen wie die internationale Sportwoche, die Kulturwoche oder Erfolge bei TÜBITAK/ Jugend forscht. Tübitak ist die türkische Forschungsförderungsagentur und veranstaltet jedes Jahr einen nationalen Projektwettbewerb. Dieser Wettbewerb hat eine große Werbewirkung im ganzen Land und in Europa, er ist sogar der einzige türkische anerkannte Wettbewerb für Ausländische Organisationen und hat deswegen auch eine große Bedeutung für die Schule. In den letzten Jahren hat unsere Schule zweimal den 1.Preis (2004 und 2005) und einmal den 3.Preis (2003) gewonnen. Das Projekt von 2004 hat auch den 2.Preis in „16th European Union Contest for Young Scientists“  gewonnen. Letztes Jahr haben wir mit unserem Projekt den 2. Platz bei diesem Wettbewerb erreicht.
 
Mit unserem  Projekt schlagen wir ein Verfahren für eine preisgünstige, automatisierte, schnelle und mobile Qualitätsanalyse von Gewässern vor.

89% der Erdoberfläche besteht aus Wasser. Die Gewässer sind heutzutage in einer  kritischen Lage in Folge der globalen Erwärmung. Eine Folge davon ist die Abnahme der Menge von sauberem Wasser und der Wasserqualität. Außerdem sterben jedes Jahr mehr als 14000 Menschen wegen der Verschmutzung des Wassers. Wegen der Verschmutzung werden auch viele endemische Arten aussterben und viele Ökosysteme gestört.

Ausgehend von diesen Fakten haben wir über Wasserqualitätsanalyse geforscht. Unser Projekt zielt auf:

  • Die Messung der charakteristischen Parameter des Wassers wie z.B  Temperatur, Leitfähigkeit, Salz- und Phosphatgehalt, ohne teure Maschinen, Labore oder Arbeitskräfte zu benötigen. 
  • Preisgünstige, automatisierte, schnelle und mobile  Wasserqualitätsanalyse
  • Entwicklung eines Modells für eine  praktische, kompakte und mobile Messstation
  • Verbesserung der aktuellen Methoden und Entwicklung der neuen geeigneten Analyse-Methoden für unsere Ziele.
  • Die Messergebnisse auf eine handelsübliche SD-Karte zu schreiben und die Daten dann per normalem Computer auslesen

Normalerweise ist ein großes Labor mit teuren Maschinen nötig, um eine Wasseranalyse zu machen. Außerdem können die Labore nur mit Proben bearbeiten. Es ist schwer in einem Gebiet viele Proben zu nehmen und die Proben sind auch nicht immer zuverlässig. Deswegen haben wir kleine Messanlagen für einige Parameter gebaut und sie in einem Modell-Boot integriert.

Die Messungen werden durch einen billigen Mikroprozessor automatisiert und die Ergebnisse auf eine SD-Karte gespeichert. Daher haben wir eine kompakte, automatisierte und mobile Messstation geschaffen.

Um ein „Messboot“ für eine vollständige Wasseranalyse zu bauen, haben wir nur die wichtigsten, charakteristischen Eigenschaften des Gewässers gemessen.

 
Die Temperatur
spielt eine sehr wichtige Rolle für chemische und physikalische Vorgänge im Wasser und sie ist wichtig für andere Parameteranalysen (als Feedback). In unserem „Messboot“ haben wir die Temperatur mit einem Halbleitertemperatursensor, der eine Messgenauigkeit von 99% hat, gemessen.
 
Das Phosphat in den Gewässern ist eines der wichtigsten Düngemitteln für Lebewesen (unterhalb einer bestimmten Konzentration). Mit dem Abwasser (Wasch- und Reinigungsmittel, Fäkalien) und künstlicher Düngung landwirtschaftlicher Flächen können große Mengen Phosphate in die Gewässer gelangen. Ausgehend davon kommt es zu einem vermehrten Absinken abbaubarer Biomasse zum Gewässerboden und damit zu einem beschleunigten Verbrauch des dortigen Sauerstoffs. Fällt der Sauerstoffgehalt des Wassers unter ein bestimmtes Mindestmaß, hört der Abbau organischer Verunreinigungen auf und das Gewässer beginnt „umzukippen“ (Fischsterben und belästigende Gerüche). Daher haben wir das Phosphat als unseren zweiten Parameter gewählt, um  die Verschmutzung der Gewässer zu bestimmen.

Im Labor wird der Phosphatgehalt oft entweder durch Spektrofotometrie oder durch Titration bestimmt. Die Spektrofotometrie kann automatisch geführt werden, deshalb ist sie für unser automatisiertes, mobiles „Messboot“  günstiger. Die Maschinen, die die Spektralanalyse durchführen, sind sehr teuer und schwer zu bedienen, deshalb haben wir unser eigenes Messgerät gebaut, das nur aus einer roten, monochromatischen LED, einem Phototransistor und einer Kautschukmesszelle besteht. Das Messgerät funktioniert so, dass in 10 ml Wasserprobe die Reagenzien, die das Wasser abhängig vom Phosphatgehalt in verschiedenen Blautönen färben, gegossen werden und danach die Lichtintensität gemessen wird. Unser Messgerät hat folgende Vorteile:

 

  • Leicht zu bedienen
  • Preisgünstig
  • Kleines Volumen
  • Einfache Bauteile (LED und Phototransistor)
  • Modell für andere Spektroanalysen

 

Mit unserem Messgerät können wir den Phosphatgehalt von 0,5 mg bis 25 mg pro Liter mit ca. 2% Fehleranteil messen.  


Die Leitfähigkeit
von einer Flüssigkeit ist die Funktion der Temperatur und der Ionenkonzentration. Man kann  mit einer Leitfähigkeits-Messung die Wasserhärte, den Salzgehalt und die allgemeine Qualität von einer Flüssigkeit bestimmen. Normalerweise wird die Leitfähigkeit durch Elektroden gemessen, aber die Elektrodenmethode hat einige Nachteile. Die Elektroden sind sehr teuer, da sie aus Platin bestehen müssen und außerdem nach einer Weile werden sie wegen der Elektrolyse schnell abgenutzt, deswegen geben sie nicht reproduzierbare Werte. Ausgehend von diesen Nachteilen haben wir die Leitfähigkeit mit einer anderen Methode gemessen. Die Leitfähigkeit wird bei uns nicht über zwei Elektroden bestimmt, sondern berührungslos. Dazu werden zwei Spulen benutzt; eine Spule, die an eine Wechselspannung der Frequenz 800Hz angeschlossen wird und eine Probespule, deren induzierte Spannung proportional zur Konzentration der Ionen sein soll (und es bei unseren Messungen auch ist).

Unsere Methode hat folgende Vorteile:

  • Eine neue, berührungslose Methode
  • Keine chemische Verschmutzung des Wassers (im Gegenteil zu Platin)
  • Langlebige Gebrauchsgüter
  • Zuverlässige Werte
  • Preisgünstiger

Mit unserem Messgerät können wir die Leitfähigkeit von einer Flüssigkeit, die von 1 bis 0,01 Mol pro Liter Salz(Ionen) enthält, messen. Die Messgenauigkeit unserer neuen Methode ist 98%.

 
Der gesamte Salzgehalt
kann von den Ergebnissen der Leitfähigkeits-Messung bestimmt werden. Wir berechnen die einzelnen Salze, indem wir den gesamten Salzgehalt in einem Modell einsetzen, das für jedes Gewässer charakteristisch und unterschiedlich ist. Zum Beispiel gilt für ein durchschnittliches Meer:

-Chlorid:  % 55                 -Natrium: % 30,6          -Kalium: % 1,1                -Sulfat: % 7,7

-Calcium: % 1,2             -Magnesium: % 3,7          -Restbestandteile: % 0,7

 
Am Ende haben wir alle Anlagen (Messzellen) für alle charakteristischen Parameter des Wassers in das „Messboot“ integriert und zum Funktionieren gebracht. Die Reagenzien und das Wasser werden in den Messanlagen durch die Plastik- und Glassröhren, Servomotoren und Pumpen geleitet. Herzstück der Anlage ist ein ATMega32 Mikrocontroller, der die Automatisierung liefert und die Messergebnisse auf die SD-Karte schreibt. Ein solches „Messbootmodell“ kostet uns ca. 50-60 €, aber wenn es eine Serienanfertigung gäbe, wären die gesamten Kosten viel geringer. Außerdem kann man unser Messboot auch für weitere Parameter verwenden, also dieses Modell ist entwicklungsfähig.

Nach unserem Erfolg in Tübitak/ Jugend forscht - Wettbewerb wird eine Arbeitsgemeinschaft in der Schule mit  verbesserten Möglichkeiten angeboten. Dieses Jahr gibt es in unserer Schule insgesamt sieben neue Wissenschaftsprojekte. Fünf von diesen sieben Projekten werden schon zum Tübitak/ Jugend forscht - Wettbewerb eingeladen.

Unser Messboot kann die Gewässer kontinuierlich analysieren. Das ist besonders wichtig an den Orten, wo die Verschmutzung ein Risiko verursacht wie z.B. Ufern, Flüssen usw. Außerdem sind unsere Messanlagen sehr praktisch für Schulen oder Krankenhäuser, wo man die Wasserqualität regelmäßig kontrollieren muss.

Unsere Messanlagen haben einfache Funktionsweisen und sie sind überhaupt nicht gefährlich, deshalb sind sie auch für Experimente in der Schule geeignet. Sie geben den Schülern die Möglichkeit, die Wasserqualität selbst zu analysieren.

Die Abwässer sind wichtig in vielen Sektoren, wo man sich mit Chemikalien beschäftigt und sie müssen  oft kontrolliert werden. Dafür kann unser Messboot sehr nützlich und außerdem sehr preisgünstig sein.
Die Leitfähigkeit spielt eine sehr wichtige Rolle in vielen industriellen Sektoren, in denen mit Flüssigkeiten gearbeitet wird, wie z.B. Metallverkleidung, der Medizin, bei Druckmaschinen usw. Mit unserer neuen Methode kann die Leitfähigkeit mit höherer Messgenauigkeit und auf lange Dauer gemessen werden.


Unser Projekt lässt sich überall realisieren, es kann Brücken bauen in alle Länder und Regionen. Gleichzeitig entsteht so eine Brücke zwischen Schule, Industrie und Wissenschaft. Daher denken und hoffen wir zum Schluss, dass unsere Arbeit nützlich für die industrielle Entwicklung und für den Schutz der Umwelt sein kann.  

 


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