Dem Bienensterben mit energieautarken Sensoren auf der Spur

20. Mai 2021

Bienen liefern uns Menschen nicht nur Honig, sondern sind dank der Bestäubung von Kräutern, Sträuchern und Bäumen maßgeblich für den Artenerhalt verantwortlich. Dadurch erwirtschaften sie in Deutschland circa 1,6 Milliarden Euro für die Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion1. Um Honigbienen unter die Flügel zu greifen und das Umwelt- und Landwirtschafts-Monitoring sowie die Forschung zur Bienengesundheit voranzutreiben, sollen sie im Rahmen eines Forschungsprojekts nun mit miniaturisierten, integrierten Sensorsystemen ausgestattet werden.

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© Micro-Sensys GmbH
Konzept eines bienengetragenen RFID-Sensors, der unterstützt durch eine miniaturisierte Batterie des Fraunhofer IZMs die Forschung zur Bienengesundheit vorantreiben soll
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© Micro-Sensys GmbH
Sensor-Monitoring in Bienenstöcken für die bessere Analyse von Umweltchemikalien und anderen negativen Umwelteinflüssen

Imkern liegt im Trend und das nicht nur im dörflichen, sondern auch im städtischen Umfeld. Neben den Honig produzierenden Völkern sind vor allem die Wildbienen eine große Unterstützung bei der für die Landwirtschaft bedeutsamen Bestäubungsleistung durch Insekten. Aus diesem Grund haben die zuletzt steigenden Sterbezahlen von diversen Wildbienenarten2 weltweit in diversen Regionen für Aufregung gesorgt. Betrachtet man den großen Verbreitungsgrad von Bienen, ihre Bedeutung für die Agrarwirtschaft und den allgemeinen Wissensstand über dieses Insekt, ist es überraschend, dass die Ursachen für das Bienensterben noch weitestgehend unerforscht sind. Die Belastung durch Pathogene, aber auch Umweltgifte, die die Insekten aus der Luft, dem Wasser und von Pflanzen aufnehmen, wurde bislang nur für ganze Bienenvölker anhand der Volksdynamik und der Honigleistung bestimmt. Um besser zu verstehen, welche Umweltfaktoren für die Gesundheit von Bienenvölkern entscheidend sind, ist es notwendig, sowohl die Entwicklung ganzer Bienenvölker als auch die von Einzeltieren zu untersuchen.

Aus diesem Grund ist das Ziel des Projektes Sens4Bee mithilfe verschiedener RFID-basierter Sensoren in Bienenstöcken und an Einzeltieren genügend Daten zu erheben, um das Bienenwohl in Verbindung mit Umweltereignissen und Umweltparametern analysieren zu können. Zu diesem Zweck entwickelt die Firma Micro-Sensys GmbH  ein Sensorsystem zur Erfassung von Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration und akustischen Signalen im Bienenstock. Das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ verarbeitet die gesammelten Daten und analysiert deren Bedeutung für den Gesundheitszustand der Bienenvölker.

Zudem entwickelt das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zusammen mit der Micro-Sensys GmbH Sensoren, die eine neue Mikrobatterie-Technologie und Micro Energy Harvesting in einem System verbinden. An Bienen angebracht dienen diese Sensoren der Bestimmung von Temperatur, Helligkeit und Flugbewegung. Die gesammelten Daten werden im Anschluss in einer intelligenten Cloud-Lösung mit Analysetools bearbeitet und dargestellt. Um die gewonnenen Daten für praktische Managementoptionen in der Imkerei zur Verfügung zu stellen, liegt ein weiterer Schwerpunkt des Projektes auf einer smarten Verarbeitung, welche die Imkernden mit konkreten Handlungsempfehlungen versorgt. Für die angewandte Forschung werden die individuell erfassten Einzeltier- und Bienenstockdaten mit Umweltereignissen verknüpft, um beispielsweise die Bewertung von Umweltchemikalien zu verbessern.

Des Weiteren entwickelt das Fraunhofer IZM mittels Silizium-Technologie eine extrem kleine Lithiumbatterie und ein Solarmodul. Diese werden von der Firma Micro-Sensys GmbH mit kleinsten Sensor-Transpondern und Sensor-Datenloggern mit RFID-Schnittstelle in ein so kleines und leichtes Modul integriert, dass es von Bienen auf dem Rücken getragen werden kann. Das Gesamtgewicht liegt zwischen zwei und zehn Milligramm und wird mittels eines biokompatiblen Klebers direkt in der ersten Entwicklungsphase der Bienen auf tierfreundliche Weise angebracht. Die Erfahrungen mit den bisher verwendeten passiven RFID-Chips haben gezeigt, dass Elektronikbauteile dieser Größenordnung das Verhalten der Bienen nicht beeinträchtigen oder verändern.

Mit der Silizium-Wafer-Level-Technologie können Hunderte von kleinsten Batterien gleichzeitig auf einem Substrat hergestellt werden. Im Gegensatz zu bisher üblichen Knopfzellen mit Metallgehäusen wird das sehr viel leichtere Silizium als Gehäusematerial verwendet. Das Ziel der Forschenden ist dabei, das System über die Flugdauer der Biene mit der Energie der Batterie zu versorgen.

Die Aufladung erfolgt während der Flugphase durch Tageslicht. Im Bienenstock wird die Batterie mittels Infrarotlicht aufgeladen.

Seit dem Projektstart vor wenigen Monaten liegt der Fokus klar auf der technischen Entwicklung einer integrativen Lösung für Bienenstöcke, einer individuellen Sensorik sowie auf der automatisierten Auswertung, welche den Imkernden ein leicht zu bedienendes Werkzeug zur Verfügung stellen wird. Über diesen praktisch-orientierten Kundenkreis hinaus ist davon auszugehen, dass auch weitere Bienen- und Umweltinstitute sowie nationale und internationale Forschungsverbünde gewonnen werden können.

Neben dem Fraunhofer IZM und der Firma Micro-Sensys GmbH sind das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ, das Institut für Bienenforschung am Julius Kühn-Institut, die Heinrich Holtermann KG und der Deutsche Imkerbund e. V. an dem Projekt beteiligt. Das Projekt Sens4Bee wird mit einer Laufzeit von drei Jahren mit einem Volumen von 1,1 Millionen Euro gefördert. Aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages erfolgt die Förderung des Vorhabens aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) hält die Projektträgerschaft im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung. Der Projektantrag wurde im Rahmen der „Richtlinie über die Förderung von Forschungsvorhaben zum Schutz von Bienen und weiteren Bestäuberinsekten in der Agrarlandschaft“ des BMLE eingereicht.

 

1 https://orgprints.org/id/eprint/32437

2 Hung et al., Proc Biol Sci. 2018 Jan 10; 285(1870): 20172140; doi: 10.1098/rspb.2017.2140