ICARUS fliegt

ICARUS fliegt

Tiertracking aus dem Weltraum

Das ISS-gestützte Projekt, mit dem die Wanderungsbewegung einer Vielzahl von Tierarten untersucht werden soll, hat den Betrieb aufgenommen. Funktechnik von Rohde & Schwarz sorgt für den Datentransfer.

Bevor die Projektbeteiligten auf den Start des ICARUS-Regelbetriebs anstoßen konnten, war eine lange Durststrecke zu überwinden. Professor Martin Wikelski, Direktor am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie in Radolfzell und Initiator sowie Mastermind des Projekts, hatte die Idee zur weltraumgestützten Tierbeobachtung schon vor 20 Jahren. Und arbeitete seither mit unermüdlicher Ausdauer und hoher Frusttoleranz an ihrer Verwirklichung. Rückschläge gab es zuhauf. So zeugt der Projektname denn auch vom Galgenhumor Wikelskis: Die desinteressierte NASA hatte prophezeit, das Projekt werde niemals fliegen, und dem mythologischen Icarus wurden seine hochfliegenden Ambitionen ja auch zum Verhängnis. Die europäische ESA winkte ebenfalls ab. Doch dank der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos, einem der Hauptbetreiber der ISS, und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bekam der neuzeitliche ICARUS schließlich Wind unter die Flügel – und der Name wurde, wie es sich für ein seriöses Projekt gehört, zum sinntragenden Akronym: International Cooperation for Animal Research Using Space.

Von der Utopie zur Wirklichkeit

Die Idee war natürlich auch allzu kühn und rückblickend mit dem Stand der Technik der frühen 2000er Jahre gar nicht zu machen. Die Vorstellung, tausende von solar betriebenen Winz-Computern, vollgepackt mit Sensor- und Funktechnik, könnten von überall auf dem Globus eigenständig mit dem Weltraum kommunizieren und so eine Art Internet der Tiere bilden, hätte einem Science-Fiction-Autor zur Ehre gereicht.

Dank der rasanten Fortschritte in der Miniaturisierung von Elektronik und Sensorik sowie in der Akku- und Solarzellentechnik konnte die Utopie in den letzten Jahren aber wahr gemacht werden. Das kleine auf Satellitenkommunikation spezialisierte Start-up INRADIOS, von Postdoktoranden der Uni Dresden gerade erst ins Leben gerufen, war mit dem herausfordernden Entwurf der Funktechnik betraut worden, wobei ihm raumfahrttechnisch versierte Spezialisten der Firma SpaceTech und der DLR zur Seite standen. Inzwischen entwickelt INRADIOS als Mitglied des Rohde & Schwarz-Konzerns die ICARUS-Technik eigenständig im Schulterschluss mit dem Max-Planck-Institut (MPIAB) weiter. Rohde & Schwarz fertigt die Funkgeräte.

Ganz nah am Tier

Die wichtigste Rahmenbedingung für einen praxistauglichen Tiersender (Tag) ist seine Verträglichkeit für die Arten, die ihn tragen sollen. Mehr als drei Prozent des Körpergewichts sollte er nach der Empfehlung von Ethik-Kommissionen möglichst nicht auf die Waage bringen, um das Tier nicht in seinem Verhalten zu beeinflussen oder es gar zu gefährden. Da man auch kleine Tiere ausstatten wollte, ergaben sich somit für Größe und Gewicht anspruchsvolle Obergrenzen. Die bis dahin üblichen, auf Mobil- oder Analogfunk basierenden Tracker kamen für Tiere unter einem Kilogramm nicht in Betracht, was 75 Prozent aller Vögel und Säugetiere von der Beobachtung ausschloss. Die Amsel übernahm für das MPIAB die Rolle eines Referenztiers, da die gefiederten Sangeskünstler schon länger im Fokus der Beobachtung standen. Prototypen des ICARUS-Tags wurden bevorzugt an diesen scheinbar so vertrauten Vögeln erprobt, deren Zugverhalten immer noch Fragen aufwirft, die sich nur durch lückenlose Überwachung beantworten lassen. Mit seinen 4,5 g ist die leichteste Tag-Version gerade noch amselverträglich, wenn man den Einsatz auf ausgewachsene männliche Tiere beschränkt. Bei allen anderen Arten, die nach aktueller Planung im Rahmen von ICARUS besendert werden sollen, wird die Empfehlung sicher eingehalten.

Von klein- bis großräumig: Die Tierbewegungen lassen sich über beliebige Strecken verfolgen wie in diesem Beispiel aus Polynesien.

Von klein- bis großräumig: Die Tierbewegungen lassen sich über beliebige Strecken verfolgen wie in diesem Beispiel aus Polynesien.

Die Tags beinhalten neben der Funk- und Ortungstechnik mehrere Sensoren und genügend Speicher, um die Bewegungs- und Umweltdaten eines Individuums über ein ganzes Tierleben hinweg zu sammeln. Zur ISS werden bei jedem Überflug, der in der Regel täglich, in höheren Breiten in Abständen von bis zu drei Tagen erfolgt, bis zu 20 Positionsdaten übertragen. Dieses Limit ist dem kurzen Kontaktfenster von nur 15 Sekunden (von denen 3 Sekunden für die Übertragung genutzt werden) und der geringen Bandbreite der Funkverbindung geschuldet. Dass ein Mini-Funkgerät mit nur 6 Milliwatt Sendeleistung einen Satelliten anfunken kann, ist ja ohnehin schon eine staunenswerte Tatsache, die sich nur den großen, empfangsstarken Antennen der ISS und der ausgeklügelten Funktechnik verdankt.

Die Tags berechnen aus den ihnen regelmäßig übermittelten Bahndaten der ISS und ihrer eigenen Position die nächste Kontaktzeit und halten sich dann empfangs- und sendebereit, während sie ansonsten meist im Stand-by-Modus schlummern, um Strom zu sparen. Aus den regelmäßig gesendeten Bewegungsdaten, die in der Datenbank movebank.org zusammenlaufen, lassen sich bereits wertvolle Erkenntnisse gewinnen (Bilder 2 und 3). Um jedoch den gesamten Datenschatz der Tags inklusive der Umweltdaten zu heben, ist eine weitere Komponente erforderlich. Zugvögel sind nicht permanent unterwegs, sondern kommen in ihren Winter- und Sommerquartieren für längere Zeit zur Ruhe. Bei den meisten anderen Arten ist der Bewegungsradius überschaubar. Deshalb können die Biologen sie in ihren Refugien aufsuchen und mithilfe eines ICARUS-Handfunkgeräts kontaktieren. Am Boden lässt sich über eine Funkdistanz von bis zu einigen Kilometern eine stabile und deutlich schnellere Verbindung aufbauen und die Tag-Speicher ohne Zeitdruck darüber auslesen.

Die Hudson-Schnepfe, von der es weltweit nur noch rund 50 000 Individuen gibt, fliegt nonstop von Chile nach Nordamerika und ist dabei eine Woche lang unterwegs, bevor es sie weiter nach Kanada zieht. Über ihre Routen und Rastgebiete liefert ICARUS detaillierte Daten. Das Projekt wird von chilenischen Biologen begleitet.

Die Hudson-Schnepfe, von der es weltweit nur noch rund 50 000 Individuen gibt, fliegt nonstop von Chile nach Nordamerika und ist dabei eine Woche lang unterwegs, bevor es sie weiter nach Kanada zieht. Über ihre Routen und Rastgebiete liefert ICARUS detaillierte Daten. Das Projekt wird von chilenischen Biologen begleitet.

Die Verknüpfung der diversen Sensordaten mit exakten Ortsinformationen erlaubt ganz neue Einblicke in die Lebensumstände und das Verhalten der Tiere, zumal dann, wenn externe Wetter- und Umweltdaten mit einbezogen werden. Überhaupt – das Wetter! Sind erst einmal tausende „ICARUS-Vögel“ unterwegs, könnten sie als meteorologische Drohnen dienen und ein globales Wetterüberwachungssystem mit Daten füttern. Dafür wären dann aber ein Update der Übertragungstechnik und weitere Satelliten im Orbit notwendig. Letzteres ist ohnehin die Vision Wikelskis. Der Betrieb der ISS ist nur bis 2025 gesichert. Sollten sich die Betreiberstaaten nicht auf eine Fortführung einigen, könnten unabhängige ICARUS-Satelliten an ihre Stelle treten. Deren Finanzierung ist freilich eine Herausforderung, doch das MPIAB lässt sich davon nicht abschrecken, schließlich hat man schon andere Hürden gemeistert.

Eine Frage der Güterabwägung

Die Tags sind auf Langlebigkeit ausgelegt, da sie über ein Tierleben und darüber hinaus für eine Wiederverwendung funktionsfähig bleiben sollen. Diese an sich begrüßenswerte Eigenschaft kann zum Problem werden, wenn sie nach dem Tod des Trägertiers in der Wildnis zurückbleiben. Elektronik verrottet nicht. Deshalb wurden Mechanismen implementiert, die das Auffinden und Einsammeln erleichtern. Wenn ein Tag nicht mehr bewegt wird, ist seine GPS-Position stabil. Über das Handfunkgerät kann er in einen Ping-Modus versetzt werden, sodass er als Funkbake arbeitet, die sich mit dem Handgerät grob anpeilen lässt. Zusätzlich macht der Tag über eine blinkende LED auf sich aufmerksam. Für den Fall, dass eine unbeteiligte Person der Suche zuvorkommt, ist auf der Tag-Rückseite eine Kontaktadresse angebracht. Durch diese Maßnahmen, so die Hoffnung, sollte die überwiegende Mehrheit der ausgebrachten Tags den Weg zum MPIAB zurückfinden. Das Institut behält die Thematik wachsam im Auge. Schließlich ist man qua Profession und nicht zuletzt aus Überzeugung dem Schutz der Ökosysteme verpflichtet. Sollte ICARUS dereinst in eine andere Größenordnung hineinwachsen, wäre eine kritische Neubewertung unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten aber wohl unausweichlich. Organische Elektronik ist derzeit noch weit von der Einsatzreife entfernt. Vielleicht kommen den Entwicklern noch andere Ideen. Jetzt geht es erst einmal darum, das gerade erst flügge gewordene System hochzufahren und den Nutzen auszuschöpfen, für den es entwickelt wurde.

Der Tiersender (Tag)

  • Gewicht: < 5 g, abhängig von der Akkugröße
  • Antennenlänge: 20 cm (Funk) bzw. 7,5 cm (GNSS)
  • Sensoren: Magnetfeld, Beschleunigung, Temperatur, Feuchte, Druck
  • Datenspeicher: 512 MByte
  • Akkukapazität: 70 / 60 / 45 mAh
  • Solarzelle: GaAs (aktuell leistungsfähigste Technologie)
  • Sendeleistung: 6 mW
  • Sendefrequenz: 402,25 MHz, 1,1 MHz Bandbreite
  • Empfangsfrequenz: 468,1 MHz
  • Übertragene Datenmenge: 223 Byte/ISS-Kontakt

Einige laufende und geplante ICARUS-Projekte

Globale Singvogel-Wanderung - Milliarden Singvögel wandern jedes Jahr zweimal zwischen den Kontinenten. Singvögel leisten wichtige Ökosystemdienste, aber ihr Bestand ist in den letzten 20 Jahren um 30 % zurückgegangen. Man weiß nicht genau, wie man sie schützen kann und will deshalb mehr über ihre Lebensumstände herausfinden.

Die verlorenen Jahre verstehen - Die schwierigste Zeit für die meisten Tiere ist der Wegzug aus ihrem Geburtsraum. Bei vielen Arten verschwinden die Jungtiere für Jahre vom Radarschirm der Biologen. ICARUS soll diese Wissenslücke schließen. Im Fokus stehen sowohl Säugetiere als auch Schildkröten und Seevögel.

Tiere schützen Tiere - Ranger sind wichtig für den Schutz der Wildtiere, indem sie Wilderer fernhalten. Doch sie können nicht überall gleichzeitig sein – die Tiere aber schon. Aus ihrem kollektiven Verhalten lässt sich auf die Anwesenheit von Raubtieren oder Wilderern schließen, sodass die Ranger gezielt eingreifen können.

Zug von Mensch-Tier-Gemeinschaften - Seit der Frühgeschichte ziehen Menschen mit ihren Nutztieren umher. In einigen entlegenen Gebieten sind diese gemeinsamen Wanderungen noch immer zu beobachten. Wer führt wen, wer lernt von wem? Das soll in Bhutan (Himalaya), der südlichen Sahelzone, Bolivien und in der hohen Arktis untersucht werden.

Pandemie-Vorhersage - Der Lebensraum vieler Tiere wird immer mehr beschnitten, was auch eine Zunahme der Kontakthäufigkeit und -intensität zwischen Mensch und Wildtier zur Folge hat. Dadurch können Krankheitserreger überspringen. Corona steht ja ebenfalls im Verdacht, auf diese Art in die Welt gekommen zu sein. Zu den „üblichen Verdächtigen“ im Tierreich gehören die Fledermäuse. Dabei sind sie nur Zwischenträger. ICARUS soll helfen, die eigentlichen Krankheitswirte zu identifizieren.

Zug von Küsten- und Seevögeln - Viele Küstenvögel verbinden die Hemisphären der Erde. Während ihrer langen Reisen sind sie auf Ufer-Refugien zum Auftanken angewiesen, die aber durch die menschliche Omnipräsenz zunehmend rar werden. Wo muss man Schutzgebiete einrichten? Seevögel gehören zu den rätselhaftesten Arten. Welche Meeresgebiete wählen sie aus? Wie navigieren sie? Wie schlafen sie? Seevögel sind auch gute Wächter für Klimaphänomene wie El Niño, können permanent Winde, Salzgehalte und Meeresströmungen messen und melden, wo sich der nächste Taifun oder Hurrikan aufbaut.

Prof. Dr. Martin Wikelski

"Für uns Wissenschaftler zählen immer nur die neuen, spannenden Ergebnisse. Wir haben nach dem großen technischen Erfolg von ICARUS sofort mit unseren russischen und internationalen Partnern angefangen, weltweit Tiere zu besendern und die ICARUS Tags einzusetzen. Jeder Tag zählt für uns."

Prof. Dr. Martin Wikelski