Umweltmonitoring
Aktuelle Pflanzenüberwachung fokussiert sich auf den Wassergehalt – terahertz.NRW geht weiter. Mit Technologien im Bereich von 0,2–5 THz nutzen wir bio-funktionalisierte THz-Sensoren, Radarbildgebung mit SiGe BiCMOS, Nahfeldabtastung und nicht-lineare Tomographie für präzise Pflanzengesundheitsanalysen.
Unsere THz-Systeme ermöglichen präzise Wasser- und Nährstoffdosierung mit den kleinsten THz-Transceivern aus InP-Resonant Tunneling Diodes (RTD) und spezialisierten InP-Transistoren. Sie sind kompakt, energieeffizient und netzwerkfähig für den Einsatz ohne Stromnetz.
Wir überwachen Wurzelwachstum, Schädlingsbefall und Schwermetallakkumulation in Echtzeit und studieren die Interaktionen von Pflanzen mit Bestäubern und Schädlingen. Mit THz-Radarbildgebung erkennen wir Bestäuberflugbahnen und Blütenbesuche sowie deren Radar-Querschnittsfläche (RCS).
Unsere Forschung untersucht, wie Schädlinge auf schwermetallkontaminierte Pflanzen reagieren und setzt hochauflösende THz-Insektenüberwachung ein. Zudem analysieren wir den Energieverbrauch von Honigbienen unter 6G– und THz-Strahlung und vergleichen ihn mit den ICNIRP-Sicherheitsgrenzwerten – und erweitern so die Grenzen der Innovation im Umweltmonitoring.
Forschungsthemen
Hochlokalisiertes THz-Monitoring
Schädlings- und Bestäuberforschung
Echtzeitdatenanalyse
Nachhaltige Lösungen durch präzise Diagnostik
Miniaturisierte, energieeffiziente THz-Sensoren erfassen den Zustand von Pflanzen und deren Wasser- und Nährstoffgehalt präzise durch hoch-miniaturisierte THz-Radartransceiver, die über charakteristische Wachstumsperioden z.B. an Pflanzenblättern angebracht werden können. In diesem Sinne lässt sich auch die Einlagerung von Schwermetallen in Blättern der Modellpflanze A. thaliana näher untersuchen. Ein interessantes Forschungsfeld bildet hier die nichtlineare mm-Wellen/THz-Tomographie zur Erfassung der Wachstumskinetik von Wurzeltopologien als Funktion der Nährstoffzuschläge z.B. beim Indoor Farming.
Mit THz-Radarbildgebung wird das Ökosystem um Pflanzen untersucht: Flugmuster von spezifischen Bestäubern (z. B. Bienen) und die Bewegungen kleinster Schädlinge wie Blattläuse und Spinnmilben. Im Zentrum steht deren Interaktion im Biom unmittelbar um Modellpflanzen wie A. halleri und die schwermetall-akkumulierende A. thaliana. Hier interessieren insbesondere der schwermetall-abhängige Schädlingsfraß und die Variationen der Flugkinetik in Abhängigkeit möglicher Umwelt-Stressoren. Ein weiteres Forschungsfeld bildet die Absorption elektromagnetischer Strahlung (i.e. elektromagnetische Mikrodosimetrie) in Bienen und weiteren Arthropoden bei mm-Wellen/THz-Frequenzen.
Die in-situ Überwachung der Transportprozesse von Nährstoffen in Pflanzenstängeln im Rahmen z.B. einer Lebenszyklus- und Wachstumsanalysen an Modellpflanzen steht hier im Zentrum der Untersuchungen. Diese werden mit Hilfe von elektromagnetischen THz-Nahfeld-Rastersonden durchgeführt oder unter Berücksichtigung des elektromagnetischen Streufeldes, welches durch azimutal angeordnete THz-Transceiver-Arrays detektiert wird. Ein innovatriver Ansatz bilden hier auch entsprechend funktionalisierte THz-Nahfeldsensorarray-Chips, welche Wachstums- und Transportprozesse in Mikrometer-Auflösung sowie in Echtzeit abbilden können.
Die Forschung zielt auf nachhaltige Wasser- und Nährstoffdosierung im Kontext des Smart-Farmings ab, wodurch Ressourcen effizienter genutzt werden können. Damit wird die THz-Radarbildgebung sowie die THz-Sensorik zu leistungsfähigen Werkzeugen der Precision-Agriculture. Letztere umfasst auch kompakte, chemisch funktionalisierte, auf Mikrofluidik basierende THz-Sensoren zur Ermittlung von Mikroorganismen, Pathogenen in Aerosolen und Umweltgasen. Die radikale Miniaturisierung bei THz-Frequenzen ermöglicht zudem fernauslesbare, telemetrisch lokalisierbare THz-Sensorplattformen, die auf Mikrofliegern aufgebracht ortsaufgelöst Umweltdaten erheben können.