Wie neue Mikrosensoren gestresste Bäume sprechen lassen

Viele Baumarten leiden unter Wetterextremen, die durch den Klimawandel zunehmen. Es stellt sich die Frage: Welche Bäume können selbst unter den widrigsten Bedingungen überleben? Mithilfe exakter Daten wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Fakultät der Universität Freiburg den Wald besser verstehen, ihn gewissermaßen selbst "sprechen" lassen. In ihrem Projekt "Ecosense" haben sie Sensoren entwickelt, mit denen sie die Reaktionen von Bäumen auf Stressfaktoren wie Hitze oder Wassermangel untersuchen. Das Ziel der Forschenden: ein ganzes Sensornetzwerk zu entwickeln, um zahlreiche Daten aus verschiedensten Wäldern zu erhalten.

Sensoren auf Blättern oder Wurzeln hören, wenn ein Baum Stress hat

Das Besondere an diesen neuen Sensoren: Sie lassen sich erstmals direkt an Blättern oder Wurzeln anbringen. So können sie Prozesse untersuchen, die in den Pflanzen und im Boden ablaufen - wie beispielsweise die Photosynthese oder die Interaktionen zwischen Pflanzen. Und es wird auch der Stresslevel der Bäume gemessen, der durch Umweltveränderungen wie Wassermangel oder extreme Hitze steigen kann.

Um die winzigen Sensoren vor Witterung zu schützen hat die Doktorandin Yasmina Frey eine besondere, sogenannte Blattkuvette entwickelt: eine Halbkugel, hergestellt im 3D-Drucker, aus einer durchsichtigen Plastikfolie. Diese Halbkugel wird dann mit Hilfe eines magnetischen Metallrings um die Sensoren am Blatt befestigt. Eine Lösung für Laubbäume, für Nadelbäume müsse man sich aber noch etwas Neues ausdenken, so Ulrike Wallrabe, eine der beiden Leiterinnen von Ecosense.

Online wissen, wie es dem Wald geht

Geschützt durch die Plastik-Kuvette, messen die winzigen Sensoren die Blatt- und Umgebungstemperatur, sowie die Feuchtigkeit. So wollen die Forschenden von Ecosense beobachten, inwiefern Umweltveränderungen einen Einfluss auf die Photosynthese-Aktivität von Pflanzen haben - und, ab wann ein Baum stirbt. 

In der Wissenschaft gibt es die Theorie, dass ein Baum verhungern kann, wenn er zu wenig CO2 bekommt oder verdursten kann, wenn er zu wenig Wasser bekommt.

Daten für Forscherinnen und Forscher auf der ganzen Welt

Die Sensoren sind außerdem mit einem kleinen Computer verbunden. Über eine Internetverbindung werden alle Daten zeitgleich an eine Datenbank gesendet auf die Forscherinnen und Forscher weltweit Zugriff haben und diese für ihre Forschung verwenden können.

Denn was letztendlich zum Tod eines Baumes führt, sei wissenschaftlich noch nicht vollständig geklärt, so Simon Haberstroh, der Teil des Freiburger Forschungsteams ist. "In der Wissenschaft gibt es die Theorie, dass ein Baum verhungern kann, wenn er zu wenig CO2 bekommt oder verdursten kann, wenn er zu wenig Wasser bekommt", so Haberstroh.

Mit welchen Bäumen lässt sich der Wald widerstandsfähiger machen?

Welche Baumarten besonders resistent sind, das soll Ecosense herausfinden, damit der Wald geschützt werden kann und ganze Waldstriche mit abgestorbenen Bäumen wie im Harz oder auch im Schwarzwald künftig mit resistenteren Setzlingen aufgeforstet werden können.

Unsere Vision ist ein mobiles System, das schnell auf- und wieder abgebaut werden kann und energieautonom ist.

Das Ziel der Forschenden ist ein Messsystem, das flexibel in jedem Wald einetzbar ist - eben da, wo es notwendig ist. Zum Beispiel bei extremer Trockenheit oder Hitze soll Ecosense eine Art Baukasten sein, mit dem man schnell zur Stelle ist, um Sensoren zu verteilen und dem Wald so besonders zuzuhören. Bisher gab es in Wäldern entweder nur vereinzelt Sensoren oder Messungen aus der Luft - mit Satelliten und Drohnen. Diese seien aber nicht genau genug, so Ulrike Wallrabe. "Unsere Vision ist ein mobiles System, das schnell auf - und wieder abgebaut werden kann und energieautonom ist", so Wallrabe.

Erste Tests in einem Wald bei Ettenheim

In einem Wald bei Ettenheim (Ortenaukreis) werden derzeit verschiedene Sensoren getestet. Die dort gemessenen Daten werden dann in einem Computer-Simulationsmodell abgebildet, um damit CO2, Wasser und andere Komponenten zu erfassen. Blatt- und Bodensensoren können punktuell messen - beispielsweise in der Baumkrone oder am Waldboden. Das Mikroklima und die Lichtverhältnisse unterscheiden sich je nach Messort stark. 

Projekt ausgezeichnet mit Landesforschungspreis

Das Projekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird, kann schon erste Erfolge verbuchen. "Wir waren die ersten, die solche Sensoren im Wald haben“, freut sich Ulrike Wallrabe. Und das auch dank der Blattkuvetten von Doktorandin Yasmina Frey.

Neben Ulrike Wallrabe leitet Christiane Werner das Projekt. Für Ecosense hat sie dieses Jahr den Landesforschungspreis Baden-Württemberg gewonnen. Das ist die größte Auszeichnung im Land für Forscherinnen und Forscher, sie ist mit 100.000 Euro dotiert.