Sensorgestützte Schulexperimente zum Pflanzenwachstum

Was passiert in der Rhizosphäre, also dem Erdreich in unmittelbarer Nähe der Wurzel einer Pflanze? Damit Schülerinnen und Schüler diesen für die Biologie besonders spannenden ökologischen Raum eigenständig untersuchen können, haben das Institut für Nachrichtentechnik der TH Köln und der Exzellenzcluster CEPLAS an der Universität zu Köln in einem gemeinsamen durch die RheinEnergie Stiftung geförderten Forschungsprojekt den Prototypen für ein Cloud-basiertes System zur sensorgestützten Aufzeichnung von Umweltparametern sowie die dazu gehörenden Experimente entwickelt.

„Die Rhizosphäre ist der Raum, der sich im Einflussbereich der Wurzel befindet. Dort steht die Pflanze in Wechselwirkung mit dem Boden und mit Lebewesen wie Millionen von Mikroorganismen. Daher ist dieser Bereich für die Forschung, aber auch für schulische Experimente von großem Interesse“, sagt Prof. Dr. Marcel Bucher vom Exzellenzcluster CEPLAS (Cluster of Excellence on Plant Sciences).

Um auf einfache Weise Informationen über die Rhizosphäre zu sammeln, hat ein Team um Prof. Dr. Uwe Dettmar vom Institut für Nachrichtentechnik der TH Köln, unterstützt durch das CEPLAS-Team, einen Prototyp entwickelt, der aus mehreren Komponenten besteht: Dazu zählen Sensoren die rund zehn Zentimeter tief in die Erde gesteckt werden und Informationen zu Luft- und Bodentemperatur, Luft- und Bodenfeuchte, Lichtintensität sowie Luftdruck sammeln. „Die Sensordaten werden per Kabel an die sogenannte Sensorbox und per Funk weiter an einen zentralen Server übertragen. Dort erfolgt die Analyse und grafische Aufbereitung der Messdaten. Auf Grundlage dieser Daten kann später ein automatisierter Agrar-Roboter gesteuert werden, der die Pflanzen etwa gezielt bewässert oder düngt“, erläutert Dettmar.

Experimente mit Sensortechnik
Am CEPLAS entwickeln Lehramtsstudierende regelmäßig im Rahmen eines Berufsfeldpraktikums Unterrichtsmaterialien und Experimente, mit denen das Interesse von Schülerinnen und Schülern für die Biologie geweckt werden soll. Im Rahmen des Projektes kommt dabei der Prototyp des sensorbasierten Datenerfassungssystems zum Einsatz. So können Versuchsszenarien aufgebaut werden, mit denen sich erkunden lässt, wie eine Pflanze auf Trocken- oder Überflutungsstress reagiert und was beim Einsatz von Dünger passiert.

Das System eignet sich auch für technisch interessierte Schülerinnen und Schüler sowie Studierende, die damit in Verbindung mit biologischen Fragestellungen informations- und kommunikationstechnische Anwendungen untersuchen und die dabei verwendeten Grundprinzipien erlernen können. Es ermöglicht Einblicke in das Internet of Things, die Arbeitsweise von Sensoren und die Übertragung, Sammlung und Verarbeitung von Daten. Das Projekt eröffnet auf diese Weise an Biologie interessierten jungen Menschen einen Zugang zu den informationstechnischen Methoden, die es ermöglichen, mit der hohen Diversität des Wissens im MINT-Bereich sinnvoll umzugehen.

Folgeprojekt soll Technik für Schulen zugänglich machen
„Unser voll funktionsfähiger Prototyp ist preislich noch nicht für den Einsatz in Schulen geeignet. Darum planen wir ein Nachfolgeprojekt, um mit einem Industriepartner eine erschwingliche und robuste Lösung anbieten zu können“, sagt Dettmar. Zudem soll die Funktionalität weiter verbessert werden. Bis zu 35 Zentimeter lange Sensoren könnten dann auch tiefere Erdschichten untersuchen und die Datenübertragung zwischen den Sensoren und der Sensorbox soll zukünftig drahtlos über Bluetooth Low Energy erfolgen. Auch eine Erweiterung der zu messenden Bodenparameter wie z.B. durch eine pH-Wert Erfassung ist angedacht.