Een weerpaal voor weinig

Na een week van solderen, programmeren en interfaces bouwen was het vrijdagmiddag 2 augustus dan eindelijk zover. Ruim twintig weersensoren kwamen allemaal tegelijk online en stuurden hun meetgegevens het internet op. De deelnemers waren vanuit heel Afrika bijeengekomen in de iHub van Nairobi – zeg maar de YesDelft van Kenia – om onder begeleiding van enkele TU-medewerkers een experimenteel weerstation te bouwen. Ze waren daarvoor uitgenodigd vanwege hun originele ontwerp van een weersensor. In een week tijd werden de in totaal 21 sensoren voor onder meer regen, temperatuur, vochtigheid en wind aan elkaar verbonden, en via een knooppunt aan het internet gelinkt. Het was een klein historisch moment toen dat werkte en toen voor het eerst de contouren zichtbaar werden van een netwerk aan weersensors van en voor Afrika. Het idee voor een trans-Afrikaans meteo-netwerk werd begin jaren negentig bedacht door drie promovendi aan de Cornell universiteit (Verenigde Staten). Ze wisten dat de dichtheid van weerstations in Afrika erg laag was (net als in Zuid-Amerika overigens) en dat daardoor de landbouw in het barse Afrikaanse klimaat minder opbracht dan zou kunnen.

Voedselcrisis

Twintig jaar later heeft hun idee alleen maar aan kracht en urgentie gewonnen. Inmiddels hebben we een voedselcrisis gehad (2008) en een piek in voedselprijzen die miljoenen mensen in armoede heeft gestort. De wereldbevolking is gegroeid tot 7,1 miljard zielen met een perspectief op 9,3 miljard in 2050. De vraag naar voedsel neemt toe door een mix van bevolkingsaanwas, stijgende vraag naar biobrandstoffen en verschuivende consumptie (meer vlees) in groeiende economieën.

In een recent artikel op www.trust. org schrijft prof.dr.ir. Nick van de Giesen (Civiele Techniek en Geowetenschappen) over toename in voedselvraag van dertig tot tachtig procent. De TU-hoogleraar waterhuishouding was twintig jaar geleden één van de Cornell promovendi. De anderen zijn professor John Selker, hydroloog aan de Oregon State University en dr. Marc Andreini, onderzoeker bij het Water for Food Institute aan de universiteit van Nebraska.

Het rapport ‘Global Food Security’, dat afgelopen juni door een Britse parlementscommissie gepubliceerd werd, spreekt over een wereldwijde voedselcrisis – een visie die Van de Giesen onderschrijft. Natuurlijk zijn het in eerste instantie de armsten die het eerst en hardst getroffen worden door prijsverhogingen en tekorten. Maar de voedselcrisis is behalve een humanitaire ramp ook een veiligheidsrisico. Zo hebben voedselrellen in 2008 bijgedragen aan de onrust in tientallen landen, waaronder ook in Noord-Afrika. Aan de andere kant heeft juist Afrika de beste kaarten om de voedselproductie uit te breiden. Elders is de landbouw al zover geoptimaliseerd dat er weinig groeimogelijkheden meer zijn. En Zuid- Amerikaanse groei zou ten kosten gaan van regenwoud. In Afrika vormt het wispelturige weer het grootse probleem en dat zou beter voorspelbaar kunnen worden met een dichter netwerk van lokale weerpalen.

Dat is precies wat de Van de Giesen, Selker en Andreini beogen met de Trans African Hydro Meteorological Observatory (Tahmo).

Grotere stabiliteit

De droom is om in 2018 over heel Afrika duizenden weerpalen werkend te hebben die beheerd worden door voornamelijk scholen. De lokale gegevens over temperatuur, vochtigheid, wind en meer worden samengevoegd met weermodellen en satellietgegevens om een beter inzicht te krijgen in de stroming van warmte en water over het oude continent.

Boeren worden op de hoogte gehouden van weer en neerslag via (gesproken) sms-berichten of smartphones. Overheden zouden op basis van de voorspellingen betere beslissingen kunnen nemen over waterbeheersmaatregelen. Uiteindelijk zou er niet alleen meer voedsel geproduceerd worden, en meer economische groei in Afrika. Maar dat zou ook kunnen leiden tot grotere stabiliteit, zowel in Afrika als daarbuiten. Dat zou mooi zijn. Maar hoe doe je dat?

Met moderne micro-elektronica, zou Chriet Titulaer zeggen. Feit is dat er de afgelopen decennia een enorme vooruitgang is geweest in de kracht, prijs en formaat van elektronica. Wie had destijds kunnen denken dat je voor een paar tientjes een programmeerbare microprocessor kunt kopen? Allerhande sensoren voor straling, temperatuur of geluid kosten een paar euro of minder. Die snoepwinkel aan hulpmiddelen biedt de mogelijkheid om zelf weersensors te bouwen voor een prikkie of, zoals ir. Rolf Hut (CiTG) van het Tahmo-project zegt: “bestaande technologie te gebruiken om klimaatvariabelen op een andere manier te meten.”

Zelf gaf Hut, die bekend staat om zijn voorliefde voor praktische wetenschapsbeoefening, enkele jaren geleden een goed voorbeeld met zijn regensensor nieuwe stijl. Normaal bestaat zo’n apparaat uit een trechter met een afleesbaar reservoir eronder. Het bezwaar daarvan is dat zo’n apparaat onderhoud vergt omdat het anders verstopt raakt. Hut bedacht dat je in een tent niet naar buiten hoeft om te weten hoe hard het regent. Dat hoor je vanzelf aan de hoeveelheid en de grootte van de druppels op het doek. Volgens dat principe bouwde hij samen met toenmalige afstudeerder Stijn de Jong een low-budget onderhoudsvrije elektronische regenmeter of Disdrometer. Een piëzo-element van een kwartje zet het geluid van de regen om in een elektrisch signaal dat elektronisch omgerekend wordt naar millimeters neerslag. Totale kosten: ongeveer driehonderd euro. Een ander voorbeeld is een stralingsmeter die als weerinstrument vijfhonderd dollar kost, terwijl je een infraroodsensor, zoals die in oorthermometers wordt toegepast, voor tien dollar koopt.

Knutselaars

Goedkope sensors hebben in combinatie met de wens voor meer weerstations in Afrika geleid tot de Tahmo-competitie. In die Tahmo Sensor Design Competition werden studenten, knutselaars en onderzoekers opgeroepen om een weersensor te ontwerpen met elementen uit alarmsystemen, telefoons en de bouwmarkt.

Na een eerste selectieronde bleven er 21 ontwerpen over van dertien teams die in aanmerking kwamen voor een knutseldoos (Maker Package) waarmee ze aan de slag konden: een Arduino microprocessor, sensoren, tangen, draden, lijm, soldeerbout en natuurlijk duct tape.

Toen de deelnemers enkele maanden later naar Nairobi vlogen, hadden ze hun prototypes in de tas. De volgende stap, en de bedoeling van de workshop, was om de afzonderlijke sensors samen te voegen tot een experimenteel weerstation. Een Raspberry Pi microcomputer zou het hart van het netwerk vormen. Wel moest nog uitgezocht worden welke draadjes van welke Arduino waar in de connectorboard geprikt moesten worden, en hoe je de computers op de hoogte brengt van het gebruikte communicatieprotocol. Het Delftse team kreeg hierbij steun van Adam Gleave, een student uit Cambridge die in opleiding is bij de Raspberry Pi Foundation.

Op de laatste middag van de week staan de werkende prototypes opgesteld op een lange tafel. Hier en daar duidt een briefje de functie van de sensor aan: psychrometer en radiation meter. Overal lopen gekleurde snoeren en draadjes, en ergens daar tussenin zit de microcomputer die de sensoren uitleest en de resultaten op internet publiceert. “Kijk, zonder draadje”, zegt Rolf Hut triomfantelijk als de meetgegevens op zijn laptop verschijnen.

Mensen

Is dit nu het begin van een Afrikaans weernetwerk? Enerzijds niet, omdat dit weerstation direct na de primeur weer uit elkaar gehaald is, en de bouwers vertrokken naar alle windrichtingen van het grote continent. Maar ze zijn wel, naar de overtuiging van Hut en Van de Giesen, vertrokken als ambassadeurs van Tahmo. Ze hebben niet alleen kennis opgedaan, maar ook kennissen. Het uiteindelijk doel mag dan een netwerk van meetstations zijn, dat begint met een netwerk van mensen. 

Meer informatie: www.tahmo.org

Uit de selectie voor Nairobi

Regenmeter

Het Nigeriaanse team bestaande uit Lapido Kehinde Ogunleye, mr. A. Okunlola en dr. Ahmed Balogun kwam met zeven ontwerpen door de selectie. Een ervan is een geautomatiseerde regenmeter met een kieperend bakje. Regen valt via een trechter in een beker die asymmetrisch scharnierend is opgehangen. Wanneer een bepaald niveau bereikt is, kiepert de beker leeg en begint alles weer van voren aan. Een elektronisch telwerkje houdt bij hoeveel keren er gekiept is. Dat dan weer wel. Temperatuur

Hetzelfde Nigeriaanse team ontwierp een dubbele temperatuurmeter die de luchtvochtigheid berekent (een psycrometer). In een aluminium behuizing zitten twee identieke temperatuursensors. De een droog, de ander nat en geventileerd. Hoe groter het verschil tussen natte en droge temperatuur, hoe droger de lucht. Opgelet: als het rode ledje brandt is alles oké, bij het groene is de batterij op.

Luchtvochtigheid

Abdullah Akolade Okunola en vrienden uit Nigeria hebben een origineel plan om luchtvochtigheid te meten: met silicagel, bekend uit de zakjes in cameratassen. Silicagel neemt vocht uit omgeving op en wordt daardoor zwaarder. Neem er minstens honderd gram van, meet de veranderende massa met een piëzo druksensor, kalibreer het systeem en je hebt een vochtmeter.

Luchtdruk

Dr. Carelse en collega’s van de universiteit van Zimbabwe ontwierpen een elektronische barometer op analoge basis. Ze gebruiken een vacuümdoosje uit een gewone barometer (waarvan het membraan naar buiten beweegt bij lagere luchtdruk) en meten de verplaatsing van het membraan met een Hall-sensor in het magnetisch veld van een spoel rond het doosje. Geschatte kosten: 25 dollar of minder.

Windsnelheid en richting

Een team van de landbouwuniversiteit van Madrid heeft een elegant ontwerp ingediend voor een windmeter zonder bewegende delen. Het lijkt nog het meest op een rechtopstaande antenne met een bolletje erop. Als het waait, is uit de buiging van de antenne niet alleen de windkracht, maar ook de richting af te lezen met rekstrookjes.

Stralingsmeter

De meter die George Sserwadda uit Oeganda ontwierp, meet zichtbaar licht, inkomende en uitgaande warmtestraling. Hij doet dat met een fototransistor (licht), een opwaarts gerichte infraroodsensor (inkomende warmte) en een naar de bodem gerichte temperatuurgevoelige weerstand (uitgaande warmtestraling). Allemaal zijn ze met analoog-digitaalomzetters verbonden met een Arduino voor rekenwerk en opslag. Het geheel is voorzien van een display en een usb-poort voor communicatie met de buitenwereld.

Bekijk de presentatie van de Nairobi workshop op:

• 
  youtu.be/zJD1VP6F83k
• 
  www.facebook.com/tahmo.initiative