Im Labor der Professur für Mikroaktorik an der Technischen Fakultät der Universität Freiburg riecht es vermutlich nicht nach Wald, sondern eher nach Silikon. Dort arbeitet Frey größtenteils an den Dichtlippen der ECOvetten. Sie mischt dafür Silikon, das später verhindert, dass Gase aus der Messkammer entweichen.

Damit die Abdichtung zuverlässig funktioniert, müssen zunächst Luftbläschen aus der Mischung verschwinden. Der Silikonmix kommt in einem Plastikbecher in ein Vakuumgefäß. Eine Vakuumpumpe saugt die Luft heraus, die Bläschen steigen auf und platzen. Kein großer Showeffekt, eher geduldige Kleinarbeit – aber auf solche Details kommt es an.

Frey hat sämtliche Produktionsschritte selbst entwickelt. Die ersten Prototypen fertigte sie aus selbstbefüllbaren Plastik-Weihnachtskugeln, die sie mit Magneten beklebte. Daraus entstand Schritt für Schritt ein minimalinvasives Messsystem, in dem mechanische Komponenten, Sensoren und Elektronik auf engem Raum zusammenspielen.

Vom Weihnachtsdekor zum Waldsensor

Die Bauteile müssen präzise zusammenpassen und langfristig den Bedingungen im Wald standhalten. Die aktuellen Halbkugeln der ECOvetten entstehen deshalb aus Kunststoffplatten: Frey erhitzt sie mit einem Thermoformer und zieht sie anschließend in eine passende Form. Das entlüftete Silikon gießt sie in eine kreisrunde Form.

Was ein Sensor im Wald tatsächlich verändert, zeigt sich allerdings nicht unbedingt schnell. Laut Frey lassen sich solche Veränderungen oft erst nach Monaten beurteilen. Anpassungen müssen deshalb sorgfältig geplant werden; während einer laufenden Messkampagne sind sie nur eingeschränkt möglich. 2024 gelang schließlich der erste erfolgreiche Feldversuch. Nach der Anbringung der ECOvetten im Wald empfing das Labor in Echtzeit Daten von den Sensoren.

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Diese Echtzeitdaten sind kein Selbstzweck. Sie gehören zum größeren Freiburger Forschungsverbund ECOSENSE, einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich. Die DFG unterstützt den SFB 1537 „ECOSENSE“ seit dem 1. Juli 2022; für vier Jahre stehen rund 10,5 Millionen Euro zur Verfügung.

Ein Netzwerk für den Wald

Das Ziel klingt dringlich: Kritische Veränderungen in Waldökosystemen infolge des Klimawandels sollen schneller und präziser erkannt und vorhergesagt werden. Dafür entwickelt das Projekt ein autonomes, intelligentes Sensornetzwerk mit neuartigen Mikrosensoren. Die für raue Waldumgebungen ausgelegten Sensoren sollen möglichst schonend messen, wie sich Ökosystemzustände und -flüsse räumlich und zeitlich entwickeln.

Die Messdaten werden in Echtzeit an eine Datenbank übertragen. Dort können sie für Prozessanalysen, Deep Learning und verbesserte Simulationsmodelle genutzt werden, damit kurz- und mittelfristige Vorhersagen möglich werden. Bisher fehlen geeignete Mess-, Daten- und Modellierungswerkzeuge, um Veränderungen in Waldökosystemen in Echtzeit und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung umfassend zu erfassen. ECOSENSE setzt deshalb auf mobile und leicht einsetzbare Systeme.

Gerade im Zusammenspiel von Boden, Pflanzen und Atmosphäre gibt es noch viele weiße Flecken. Die Auswirkungen des Klimawandels auf komplexe Waldökosysteme und ihre Wechselwirkungen sind bislang weitgehend unerforscht. Ein besseres Verständnis der Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe soll helfen, die Folgen des Klimawandels für Wälder genauer vorherzusagen.

Getestet und validiert wird das „ECOSENSE Toolkit“ unter kontrollierten Klimastress-Experimenten und im sogenannten ECOSENSE-Wald. Künftig soll es die schnelle Untersuchung beziehungsweise Bewertung verschiedener Ökosysteme ermöglichen – auch in abgelegenen Gebieten, wo nicht eben nebenan ein Labor wartet.

Viele Disziplinen, ein Wald

Unter der Leitung von Prof. Dr. Ulrike Wallrabe und Prof. Dr. Christiane Werner arbeitet ein interdisziplinäres Team an dem Sensornetzwerk. Beteiligt sind sechs Professuren der Freiburger Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen sowie sechs Professuren aus IMTEK und INATECH – beziehungsweise sechs Professuren des Instituts für Mikrosystemtechnik und des Instituts für Nachhaltige Technische Systeme. Außerdem kooperiert die Universität Freiburg mit dem Institut für Mikrostrukturtechnik sowie dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Sprecherinnen des SFB sind Prof. Dr. Christiane Werner, Professorin für Ökosystemphysiologie, und Prof. Dr. Ulrike Wallrabe, Professorin für Mikroaktorik an der Universität Freiburg. Werner ist seit 2015 Professorin für Ökosystemphysiologie und erforscht die Reaktionen von Pflanzen und Ökosystemen auf den Klimawandel auf verschiedenen biologischen Ebenen – von der molekularen bis zur ökologischen Ebene. 2015 erhielt sie einen ERC Consolidator Grant.

Wallrabe ist seit 2003 Professorin für Mikroaktorik am Institut für Mikrosystemtechnik. Ihre Forschungsschwerpunkte sind magnetische Mikrostrukturen und adaptive Mikrooptik. 2010 erhielt sie ein Forschungsstipendium am Freiburg Institute of Advanced Studies.

Zwischen Plastikbecher, Vakuumpumpe und Thermoformer entsteht so ein Werkzeug für eine Frage, die draußen im Wald nur langsam Antworten gibt. Wenn die Daten dann in Echtzeit im Labor ankommen, ist das trotz aller Routine ein kleiner Moment, bei dem man kurz innehält. Heute ist der 31.10.2026.