Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln einen Sensor, der sich einfach an ein Smartphone anschließen lässt. In Zukunft sollen Nutzerinnen und Nutzer über gemeinschaftliches Messen (Participatory Sensing) beim Erstellen einer Belastungskarte mitwirken können. Die Karte wird dann 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 Lehrstuhl für Pervasive Computing und der Forschungsgruppe TECO am KIT entwickelt.

Dass das Prinzip funktioniert, haben die Informatiker in Vergleichsmessungen gezeigt. Bei der Genauigkeit können die Smartphone-Sensoren mit den spezialisierten Geräten zwar noch nicht konkurrieren, ihr Vorteil ist 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 zum Beispiel 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 Nutzerinnen und Nutzer 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.

Der Sensor soll sich für Messungen künftig einfach - etwa mit einem Magneten - am Smartphone befestigen lassen, ein Anpassen der Elektronik ist nicht erforderlich. Nutzerinnen und 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.

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.