Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Elektrische Energiesysteme
Lehrstuhl für elektrische Antriebssysteme
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
Nur 13 % der deutschen Gewässer erreichten 2022 einem guten ökologischen Zustand. Schlecht oder nicht passierbare Querbauwerke sind eine Hauptursache dafür und damit eine Bedrohung der Biodiversität. Bei stromabwärts gerichteten Passagen technischer Wasserbauwerke unterliegen Fische einem potenziellen Schädigungsrisiko durch Kollisionen an Schaufelkanten und Flächen, Einklemmen in Spalten, schnelle Druckveränderungen (Barotraumen) sowie Scherkräfte und Turbulenzen. Eine genaue Bewertung der Schädigungsrisiken erfordert bisher die Nutzung von Lebendtierversuchen. Die Fische werden gezielt in die Anlagen und Abstiegskorridore eingebracht, nach Passage des Gefahrenbereiches wiedergefangen und auf Verletzungen untersucht. Diese Praxis betrifft in Deutschland bis zu 100.000 Wildfische pro Jahr. Das ist ethisch sehr fragwürdig und schwächt die zu schützenden Fischpopulationen selbst.
Darüber hinaus sind die Versuche mit hohen Unsicherheiten verbunden und mit oft mehreren hunderttausend Euro sehr teuer. Analytische Alternativmodelle zum Tierversuch weisen hohe Unsicherheiten auf. Existierende Sensoren zur Messung der Druckveränderungen bei der Passage von Turbinen oder Pumpen zeigen sehr gut das Risiko von Barotraumen. Kollisionen der Fische mit Laufradschaufeln und andern Strukturen, die in Deutschland eine Hauptursache für Fischschädigungen sein dürften, werden nicht in ausreichender Qualität abgebildet. Aktuell verfügbare, sehr steife Hartplastik-Sensoren messen die Kollision allein über ihre Beschleunigung. Damit ist eine Beurteilung des Schädigungsrisikos unmöglich. Das Projekt entwickelt und testet neue Sensortechnologien, die Kollisionen besser abbilden können. Die in StrikeSense zu entwickelnden Fischersatzsysteme verschieben den Blickpunkt vom der Kollisionsvorgang hin zur direkten Auswirkung auf den Fischkörper.
Im Fokus steht die mechanische Antwort des Fischersatzsystems auf die Kollision: die Verformung ihres flexiblen, fischähnlichen Körpers. Die neue Sensorgeneration verspricht dadurch eine echte Alternative zu Lebendtierversuchen. Die Aussagekraft der mit dem neuen System erhobenen Daten in Bezug auf eine Prognose der Fischmortalität (biological response) wird im Laufe des Projekts mit Versuchen im Labor und im Feld geprüft und dokumentiert werden.
Im Rahmen des Projekts wurde ein flexibler Sensorkörper entwickelt, dessen mechanische Eigenschaften gezielt an die Biegesteifigkeit realer Fische angepasst wurden. Der silikonbasierte Sensor verfügte über Verstärkungen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff sowie über integrierte Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungssensoren. Dadurch konnten sowohl die Intensität als auch die Position von Kollisionsereignissen entlang des Sensorkörpers erfasst werden.
Die entwickelten Sensoren wurden zunächst unter kontrollierten Laborbedingungen getestet. Hierzu kamen reproduzierbare Schlagversuche zum Einsatz, mit denen definierte Kollisionsereignisse simuliert wurden. Für die Auswertung der Messdaten wurde eine mehrstufige Regressionsmethodik entwickelt, bei der charakteristische Signalmerkmale aus Beschleunigungs- und Dehnungssignalen extrahiert und mithilfe maschineller Lernverfahren ausgewertet wurden. Beide Modelle erreichten im Labortest eine hohe Übereinstimmung mit den bekannten Referenzgeschwindigkeiten der Schlagversuche.
Anschließend wurden die Sensoren unter realen Bedingungen im Wasserkraftwerk Hirschhorn sowie im Schöpfwerk Kudensee eingesetzt. Besonders hervorzuheben ist, dass erstmals aus der räumlichen Verteilung der Sensorsignale Rückschlüsse auf die Position eines Kollisionsereignisses entlang des Sensorkörpers gezogen werden konnten. Dies stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber bisherigen passiven Sensorsystemen dar, da die biologische Wirkung eines Aufpralls maßgeblich von der betroffenen Körperregion abhängt.
Laboruntersuchungen zeigen, dass sowohl Beschleunigungs- als auch Dehnungsmessungen grundsätzlich geeignet sind, Kollisionsereignisse zu erfassen. Im Vergleich zu bisherigen starren Sensorsystemen reduzierte der flexible Sensorkörper Sättigungseffekte deutlich und lieferte realistischere Signalverläufe. Die herkömmliche, starr ausgeführte Sensorsysteme sind aufgrund unrealistisch hoher Beschleunigungen und starker Sättigungseffekte nur eingeschränkt geeignet, um Schädigungs- und Moratlitätsraten von Fischen durch Kollisionen während der stromabwärts gerichteten Passage von hydraulischen Bauwerken und Maschinen abzubilden.
Die Auswertung der Felddaten zeigte, dass die sensorbasierten Modelle teilweise höhere Anzahlen potenziell kritischer Kollisionsereignisse prognostizieren als vergleichbare Lebendfischversuche. Gleichzeitig verdeutlichten die Ergebnisse die hohe Komplexität realer Feldereignisse sowie die Unterschiede zwischen kontrollierten Laborbedingungen und realen Anlagenpassagen.
Insgesamt konnte jedoch gezeigt werden, dass Sensor basierte Verfahren auf Basis flexibler Ersatzkörper eine wesentlich fundiertere technische Bewertung von Kollisionsrisiken ermöglichen als rein beschleunigungsbasierte Ansätze. Die Ergebnisse liefern zudem eine belastbare Grundlage, um mechanische Schädigungsprozesse systematisch zu erfassen und zukünftig stärker vom Einsatz lebender Versuchstiere zu entkoppeln. Eine direkte Übertragung der per Sensoren ermittelten Kennwerte auf biologische Schadenswahrscheinlichkeiten ist nach jetzigem Stand der Technik jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und erfordert eine weitere Verbesserung der Sensortechnik und eine sorgfältige Kalibrierung der Auswertemodelle.
Dennoch sind die Ergebnisse ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von Fischersatzsystemen. Es ist zum ersten Mal gelungen, auf Basis der Sensordaten die Mortalität von Kollisionsereignissen zu quantifizieren. Ein relativer Vergleich des Schädigungsrisiko von Fischen bei der Turbinen- oder Pumpenpassage auf Basis der Daten der StrikeSense-Sensoren ist darüber hinaus bereits jetzt in der Praxis umsetzbar.
Teile der Arbeiten des Projektes wurden bereits veröffentlicht und sind hier frei zugänglich:
- Wolf Iring Kösters, Jeffrey A. Tuhtan, Stefan Hoerner, Maarja Kruusmaa, Shokoofeh Abbaszadeh. Sensor Probes for Fish Passage Safety: Evaluating Strike Severity Metrics and Data-Driven Prediction. 2025. URL: https://hal.science/hal-05314322
- Stefan Hoerner, Dennis Powalla, Islam Abdelghafar, Falko Wagner, Jeffrey Tuhtan, Roland Schumacher. The Kudensee Project: Development of a Less-Damaging Replacement Pump for Sustainable Water Management, 2026. XVI International Symposium on Ecohydraulics, Lausanne
Weitere Vorträge und Veröffentlichungen zu den Ergebnissen sind noch in Planung.
Im Rahmen des StrikeSense Projekts wurde eine neuartige Generation von Sensoren zur Bewertung mechanischer Schädigungsrisiken für Fische durch Kollisionen bei der Passage wasserbaulicher Anlagen entwickelt, untersucht und unter Labor- sowie Feldbedingungen erprobt. Ziel war es, eine technisch belastbare Alternative zu bestehenden Sensorsystemen bereitzustellen, die Kollisionsereignisse besser abbilden und quantifizieren kann. Perspektivisch könnte so der Einsatz von Lebendtierversuchen deutlich reduziert oder komplett ersetzt werden. Dazu wurden flexible Sensoren entwickelt die sowohl Dehnungen als auch Beschleunigungen des flexiblen Körpers aufzeichnen. Zwei Daten basierte Modelle erlauben den Vergleich der beiden Messansätze. Eine anschließende Kopplung biologischer Daten mit den Modellen erlaubt die Übertragung von Kollisionsgeschwindigkeiten auf quantitative Mortalitätsrisiken.
StrikeSense stellt einen wesentlichen Schritt hin zu einer ethisch, technisch und ökonomisch verbesserten Bewertung von Schädigungsrisiken an Wasserkraft- und Schöpfwerksstandorten dar. Die im Projekt erzielten Ergebnisse zeigen deutlich, dass flexible, dehnungs- und beschleunigungsbasierte Sensorsysteme das Potenzial besitzen, den Stand der Technik nachhaltig zu erweitern und einen wichtigen Beitrag zum Fischschutz und zur Reduktion von Tierversuchen zu leisten.