Beim nun gestarteten Projekt namens «CarboSense4D» kommen neuartige Datenanalysemethoden kombiniert mit Beobachtungen der Atmosphäre und Simulationsrechnungen atmosphärischer Transportprozesse zum Einsatz. Ziel des Projekts unter der Leitung von Dominik Brunner aus der Abteilung Luftfremdstoffe / Umwelttechnik der Empa ist es, die Entstehung und Verbreitung des Treibhausgases CO2 in der Schweiz in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erforschen.

300 über das ganze Land verteilte lowcost-CO2-Sensoren werden in Echtzeit ihre Daten über das  Internet der Dinge, das «Low Power Netzwerk» von Swisscom übermitteln. Bisher gab es schweizweit für die Messung von CO2 nur wenige Standorte. Dieses weltweit einzigartig dichte Sensornetzwerk erfasst die räumlichen und zeitlichen Änderungen der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Lukas Emmenegger, Leiter des Labors für Luftfremdstoffe/Umwelttechnik, sagt: «Das CO2-Sensornetzwerk wird Grundlagen liefern, um die natürlichen und vom Menschen verursachten Quellen und Senken von CO2 in der Schweiz besser zu verstehen.»

Für die Stadt Zürich, in der das Sensornetzwerk besonders dicht sein wird, hat die Empa ein Modell entwickelt, das die CO2-Konzentration von zehn verschiedenen Quellen simuliert. Zu diesen Emissionsquellen gehören zum Beispiel verschiedene Arten des Verkehrs, die Industrie oder Heizungen von Wohnhäusern. Durch eine Verknüpfung dieser Simulationen mit den Sensordaten wird die Empa in der Lage sein, die aktuellen CO2-Emissionen der Stadt sichtbar zu machen. Emmenegger: «Damit wird es Messungen in genügender Dichte geben, um den CO2-Ausstoss der Stadt Zürich praktisch in Echtzeit zu verfolgen. Ausserdem werden die Messungen wertvolle Informationen über die Ausbreitung von anderen Luftschadstoffen liefern.» Die wissenschaftlichen und technischen Anwendungen auf Basis dieser schweizweit erfassten Sensordaten bieten wiederum Anschlusspunkte für die Verkehrsplanung, für die Gesundheitsprävention, für Entwicklungen im Zusammenhang mit «Smart Cities» und für ein besseres Verständnis des Austauschs von CO2 zwischen der Atmosphäre und der Vegetation.

«CarboSense4D» ist eine Zusammenarbeit zwischen der Empa, dem Swiss Data Science Center (SDSC) und dem Center for Climate Systems Modeling (C2SM). Wichtige Partner sind zudem das Empa-Spin-off Decentlab sowie Swisscom. Die 300 batteriebetriebenen CO2-Sensoren werden an Antennenstandorten von Swisscom Broadcast und vielen anderen Stationen zum Beispiel der MeteoSchweiz montiert und senden ihre Messwerte über das «Low Power Network» von Swisscom in die Cloud-Infrastruktur von Decentlab, von wo sie in die Rechenzentren des «Swiss Data Science Center» des ETH-Bereichs gelangen. Das «Low Power Network» bietet eine schmale Bandbreite, dafür reicht es über grosse Distanzen, übermittelt energiesparend und senkt die Vernetzungskosten. So eignet es sich für die Vernetzung von Umweltsensoren, Parkplätzen, Containern oder sonstiger kommunaler Infrastruktur.

Das Projekt CarboSense4D dient auch dazu, die Funktion des Sensor-Netzwerks zu evaluieren: Änderungen im Verhalten einzelner Sensoren werden erkannt und korrigiert. So funktioniert CarboSense4D zugleich als Modellprojekt, um die Verwendbarkeit preisgünstiger CO2-Sensoren im Bereich der Datenwisschenschaften unter Beweis zu stellen.

Das Rückgrat des neuartigen CO₂-Sensornetzes bilden 300 Messgeräte, welche über die ganze Schweiz verteilt sind. Decentlab, ein Spin-off der Empa, hat dafür je einen Sensor für CO₂, Temperatur und Feuchtigkeit zusammen mit einem Kommunikationsmodul in einem Gerät integriert und sorgt für die drahtlose Übermittlung der Daten an den nächsten Gateway in die Datenplatform. Von dort werden die Daten an das SDSC zur weiteren Verarbeitung und Visualisierung weitergeleitet. Gegenwärtig evaluieren die Empa-Forscher die Daten: Je nach Wetterbedingungen können die CO₂-Werte durch Temperatur und Feuchtigkeit verzerrt sein. Dank neuer mathematischer Modelle können solche Abweichungen korrigiert und auch Verluste einzelner Datenpakete «überbrückt» werden.