Stuttgart - Ein nicht einmal zwei Millimeter großer Chip registriert Bewegungen von zehn Femtometern - das entspricht der Länge eines Atomkerns. "Der Beschleunigungssensor fühlt den Herzschlag", holt Douglas Ohlberg vom Quantensystem-Labor des Computerkonzerns HP den sensiblen Winzling in begreifbare Dimensionen. Ein zweiter optischer Detektor der Kalifornier schmeckt und riecht: "Per Laser wird der chemische Fingerabdruck eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases analysiert - der Sensor warnt beispielsweise vor Salmonellen oder Pestiziden."

Was aber will ein Computerkonzern wie HP mit Chips, die fühlen, schmecken und riechen? "Wir arbeiten am zentralen Nervensystem der Welt", verrät der Nanotechniker Ohlberg die Idee des Projekts Cense (Cental Nervous System for the Earth). Ein globales Sensornetzwerk aus Milliarden von drahtlosen, robusten und preiswerten Detektoren soll die Vorgänge in der Umwelt transparent machen - angefangen bei Verkehrs-, Wetter- oder Straßenbedingungen über Schadstoffe in der Natur oder Bakterien in Nahrungsmitteln bis hin zu Materialschäden in Brücken und Altbauten oder Ölraffinerien. Ans Werk gehen sollen dafür dann auch weitere Sensortypen für Licht-, Temperatur- oder Luftfeuchtigkeit.

Parallel zur Grundlagenforschung setzt HP Pilotprojekte bei Energieversorgern auf - ein ideales Testfeld, denn weltweit gehen nach Studien mindestens 40 Prozent der elektrischen Energie ungenutzt verloren. In allen Ecken des Stromnetzes werden Sensoren ausgebracht, die sich selbst vernetzen und Daten liefern, die dem Betreiber Material, Energie und Kosten sparen: Sie erkennen Unregelmäßigkeiten im Stromnetz und reagieren, indem Strom umgeleitet oder eine Trafostation vom Netz genommen wird. Über Steuerelemente lassen sich so nachhaltige Energiequellen wie Wind und Sonne leichter in die Netze integrieren.

Noch ist das alles zu teuer

Verpackt wird die elektrische Sensibilität in einem sogenannten Mote: Der Sensorknoten besteht aus Detektor, Prozessor, Antenne, Batterie und Sender. Die billigsten kosten heute 20 Euro - zu teuer beispielsweise für die kontinuierliche Bausubstanzüberwachung der Golden Gate Bridge, bei der 10.000 der kleinen Messgeräte gemeinsame Sache machen müssten, um gefährlichen Rissen und Fugenbewegungen oder kritischem Trag- und Schwingungsverhalten auf die Spur zu kommen.

"Der Schlüssel zur Miniaturisierung und Kosteneffizienz ist die Nanotechnologie", erklärt Ohlberg, der davon ausgeht, dass der Preis pro Sensor weit unter zehn Cent fallen wird. Aber HP ist nicht allein am Werk. "Unser aktueller Prototyp mit rund sechs Millimetern Kantenlänge stellt nach wie vor den Weltrekord für Funksensorknoten in sich spontan verbindenden Netzwerken dar", betont Herbert Reichl die deutsche Expertise bei den E-Grain genannten digitalen Staubkörnchen.

Der Leiter des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin rückt auch den beiden Hauptproblemen auf die Pelle: Die Sensoren brauchen Energie und sie müssen kommunizieren - untereinander und mit größeren Systemen. Laut Reichl wird mit miniaturisierten Energieumwandlern experimentiert - thermoelektrische Elemente erzeugen aus Temperaturunterschieden Strom. Zudem greifen im gesamten Netz Energiesparmaßnahmen: "Dadurch sollen E-Grains mit einer Leistungsaufnahme von wenigen Millionstel Watt auskommen." Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistungsaufnahme eines Handys beträgt ein Watt.

Intelligente Produkte und Strukturen

Neben Anwendungen in der Heimautomatisierung und der Telemedizin hält Reichl drahtlose Sensornetzwerke auch in der Industrie für "in vielfacher Weise sehr nützlich". Die Zustandsdiagnose von Maschinen und die Fernüberwachung der Produktion biete ein großes Potenzial, die Produktivität zu erhöhen. "Technisch ist es beispielsweise mittlerweile möglich, den Alterungsprozess von Getriebeteilen so zu kontrollieren, dass ein Auswechseln von Verschleißteilen mehrere Wochen im Voraus bestimmt werden kann." Weiterhin könnten E-Grains an hochwertige Produkte angeheftet werden. Fälschungen könnten so eher erkannt und die Qualität der Produkte besser überwacht werden.