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Title:
SYSTEM AND METHOD FOR TRANSMITTING DATA VIA A MATERIAL STREAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/048510
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system and to a method for transmitting information via a material stream. An information output unit has an encoding unit which is configured to modulate the concentration of one or more isotopes, in particular isotopomers, in a first material volume by using the information to be transmitted, and an actuator unit, which is configured to introduce the first few rule volume with the modulated concentration of one or more isotopes, in particular isotopomers, into the material stream. An information output device has a removal unit, which is configured to remove a second material volume, and a detection unit, which is configured to determine the concentration of one or more isotopes, in particular isotopomers, in the second material volume. In addition, a computing unit is configured to reconstruct and output the information to be transmitted from the determined concentration of one or more isotopes, in particular isotopomers.

Inventors:
ARDELT GUNTHER (DE)
HELLBRÜCK HORST (DE)
KÜLLS CHRISTOPH (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/073922
Publication Date:
March 14, 2019
Filing Date:
September 06, 2018
Export Citation:
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Assignee:
FACHHOCHSCHULE LUEBECK (DE)
International Classes:
G08C23/00; H04B13/00
Foreign References:
Other References:
IAN F AKYILDIZ ET AL: "Monaco: fundamentals of molecular nano-communication networks", TECHNICAL REPORT OF WIRELESS NETWORKING GROUP, COORDINATED SCIENCE LABORATORY; DEPT. ELECTRICAL AND COMPUTER ENGINEERING; UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA-CHAMPAIGN, US, vol. 19, no. 5, 1 October 2012 (2012-10-01), pages 12 - 18, XP011471325, ISSN: 1536-1284, DOI: 10.1109/MWC.2012.6339467
AKDENIZ BAYRAM CEVDET ET AL: "On the performance of the modulation methods in time-varying molecular communication channels", 2017 40TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON TELECOMMUNICATIONS AND SIGNAL PROCESSING (TSP), IEEE, 5 July 2017 (2017-07-05), pages 128 - 131, XP033232204, DOI: 10.1109/TSP.2017.8075951
R. GRILLI; G. MEJEAN; C. ABD ALRAHMAN; I. VENTRILLARD; S. KASSI; D. ROMANINI: "Physical Review A", vol. 85, 2012, AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, pages: 51804
Attorney, Agent or Firm:
WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
A N S P R Ü C H E

System (1 ) zur Übertragung von Information (2) über einen Stoffstrom (3), insbesondere

Wasserstrom, mit einer Informationseingabevorrichtung (4), welche

-eine Kodiereinrichtung (4a), welche zur Modulation der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen anhand der zu übertragenden Information (2) eingerichtet ist, und

-eine Aktoreinrichtung (4b), welche zum Einbringen des ersten Stoffvolumens mit der modulierten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere

Isotopomeren, in den Stoffstrom (3) eingerichtet ist,

aufweist, und mit einer Informationsausgabevorrichtung (5), welche stromabwärts von der Informationseingabevorrichtung (4) angeordnet ist und

-eine Entnahmeeinrichtung (5a), welche zur Entnahme eines zweiten Stoffvolumens eingerichtet ist,

-eine Detektionseinrichtung (5b), welche zur Ermittlung der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen eingerichtet ist, und

-eine Recheneinrichtung (5c), welche zur Rekonstruktion der zu übertragenden

Information (2) aus der ermittelten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, und zur Ausgabe der rekonstruierten Information (2') eingerichtet ist,

aufweist.

System (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die zu übertragende Information (2) eine digitale Information, insbesondere ein Binärcode, ist.

System (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktoreinrichtung (4b) und die Entnahmeeinrichtung (5a) dazu eingerichtet sind, das erste Stoffvolumen und das zweite Stoffvolumen in vorgegebenen Zeitintervallen in den Stoffstrom (3) einzubringen bzw. aus diesem zu entnehmen.

System (1 ) nach Anspruch 3, wobei die Recheneinrichtung (5c) dazu eingerichtet ist, die zu übertragende Information (2) anhand von aufeinanderfolgend ermittelten

Konzentrationen von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen zu rekonstruieren. System (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die

Detektionseinrichtung (5b) dazu eingerichtet ist, die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, durch eine Laserabsorptionsmessung zu ermitteln.

System (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kodiereinrichtung (4a) dazu eingerichtet ist, die Konzentration von Sauerstoffisotopen und/oder

Wasserstoffisotopen im ersten Stoffvolumen zu modulieren, wobei die

Detektionseinrichtung (5b) dazu eingerichtet ist, die Konzentration von

Sauerstoffisotopen und/oder Wasserstoff isotopen im zweiten Stoffvolumen zu ermitteln.

System (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuerungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Stoffstrom (3) anhand der ausgegebenen

rekonstruierten Information (2') zu steuern.

System (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die

Informationseingabeeinrichtung (4) und/oder die Informationsausgabeeinrichtung (5) für das Internet der Dinge (loT) als Intelligenter Gegenstand ausgelegt ist.

Verfahren (100) zur Übertragung von Information (2) über einen Stoffstrom (3), insbesondere Wasserstrom, mit den Schritten:

-Modulieren (S1 ) einer Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen anhand der zu übertragenden

Information (2);

-Einbringen (S2) des ersten Stoffvolumens mit der modulierten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in den Stoffstrom (3) durch eine Aktoreinrichtung (4b);

-Entnehmen (S3) eines zweiten Stoffvolumens aus dem Stoffstrom (3) mit einer

Entnahmeeinrichtung (5a), welche stromabwärts von der Aktoreinrichtung (4b) angeordnet ist;

-Ermitteln (S4) der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere

Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen;

-Rekonstruieren (S5) der zu übertragenden Information (2) aus der ermittelten

Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren; und -Ausgeben (S6) der rekonstruierten Information (2').

Description:
System und Verfahren zur Übertragung von Information über einen Stoffstrom

Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 2017 215 888.3 durch

Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Übertragung von Information über einen Stoffstrom, insbesondere einen Wasserstrom.

In der Hydrologie wird die sog. Isotopenanalyse zur Untersuchung von Wasserkreisläufen genutzt. Dabei werden Änderungen in den Verhältnissen natürlich vorkommender stabiler Isotope im Wasser analysiert und als natürlicher Marker für die Herkunft des Wassers und/oder als Markierstoff zur Untersuchung von Transportprozessen verwendet.

Die Messung der Konzentration von Isotopen oder Isotopomeren in einem Wasservolumen kann mit Massenspektrometern durchgeführt werden. Dabei sind ausschließlich

Einzelmessungen von Proben möglich. Insbesondere können nur wenige Messungen pro Tag durchgeführt werden. Die Frequenz der Messung eines derartigen Gerätes liegt bei 10 "4 Hz, also bei ca. einer Messung alle 10.000 Sekunden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Informationsfluss über einen Stoffstrom weiter zu verbessern, insbesondere Information gezielt zu übertragen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System und ein Verfahren zur Übertragung von

Informationen über einen Stoffstrom gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße System zur Übertragung von, insbesondere digitaler, Information über einen Stoffstrom, insbesondere einen Wasserstrom, weist eine Informationseingabevorrichtung und eine stromabwärts von der Informationseingabevorrichtung angeordnete

Informationsausgabevorrichtung auf. Die Informationseingabeeinrichtung weist eine Kodiereinrichtung, welche zur Modulation der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen anhand der zu übertragenden Information eingerichtet ist, und eine Aktoreinrichtung, welche zum Einbringen des ersten Stoffvolumens mit der modulierten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in den Stoffstrom eingerichtet ist, auf. Die

Informationsausgabevorrichtung weist eine Entnahmeeinrichtung, welche zur Entnahme eines zweiten Stoffvolumens eingerichtet ist, und eine Detektionseinrichtung, welche zur Ermittlung der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen eingerichtet ist, auf. Zudem ist eine Recheneinrichtung dazu eingerichtet, die zu übertragende Information aus der ermittelten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, zu rekonstruieren und auszugeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von, insbesondere digitaler, Information über einen Stoffstrom, insbesondere Wasserstrom, weist die folgenden Schritte auf: Modulieren einer Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen anhand der zu übertragenden Information; Einbringen des ersten

Stoffvolumens mit der modulierten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in den Stoffstrom durch eine Aktoreinrichtung; Entnehmen eines zweiten Stoffvolumens aus dem Stoffstrom mit einer Entnahmeeinrichtung, welche

stromabwärts von der Aktoreinrichtung angeordnet ist; Ermitteln der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen; Rekonstruieren der zu übertragenden Information aus der ermittelten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren; und Ausgeben der rekonstruierten Information.

Unter einer Modulation einer Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, ist im Sinne der Erfindung ein Einstellen der Konzentration zu verstehen.

Beispielsweise kann in dem ersten Stoffvolumen eine erste Abundanz eines ersten Isotops und eine zweite Abundanz eines zweiten Isotops etc. eingestellt werden, so dass die

entsprechenden Konzentrationen und/oder Isotopenverhältnisse in einer entsprechenden, etwa zu einem späteren Zeitpunkt stromabwärts, entnommenen Probe eindeutig bestimmt werden können. Das Einstellen der Konzentration kann auch ein zeitliches Einstellen sein, bei dem die

Konzentration eines einzelnen oder mehrerer Isotope im Laufe der Zeit verändert wird.

Beispielsweise kann in dem ersten Stoffvolumen zu einem ersten Zeitpunkt eine erste

Abundanz eines ersten Isotops und eine zweite Abundanz eines zweiten Isotops, und zu einem zweiten Zeitpunkt eine zweite Abundanz des ersten Isotops und eine zweite Abundanz eines zweiten Isotops etc. eingestellt werden, so dass die entsprechenden Konzentrationen und/oder Isotopenverhältnisse in entsprechenden, etwa zu entsprechenden späteren Zeitpunkten stromabwärts, entnommenen Proben eindeutig bestimmt werden können.

Unter einer Aktoreinrichtung im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Pumpen- und/oder Ventilsystem zu verstehen, welches das erste Stoffvolumen zumindest in den Stoffstrom einbringen kann, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils oder Pumpen des ersten

Stoffvolumens in den Stoffstrom. Vorzugsweise ist die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu eingerichtet, das erste Stoffvolumen aus dem Stoffstrom zu entnehmen, insbesondere, um die Modulation der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in dem ersten Stoffvolumen durch die Kodiereinrichtung zu ermöglichen. Die Aktoreinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, ein dem ersten Stoffvolumen entsprechendes Stoffvolumen aus dem Stoffstrom zu entnehmen und parallel dazu das erste Stoffvolumen, welches die modulierte Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, enthält, in den Stoffstrom zurück zu führen. Dadurch kann dem Stoffstrom eine definierte Menge des Stoffes entnommen, die Information in der definierten Menge des Stoffes mittels der Modulation codiert und die definierte Menge des Stoffes wieder hinzugefügt werden, ohne dass der Stoffstrom gestoppt oder geändert, insbesondere umgeleitet, werden muss.

Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, zu übertragende Information durch eine Modulation einer Isotopenkonzentrationen oder einer Isotopomerkonzentration, insbesondere durch die Modulation eines Isotopenverhältnisses oder eines Isotopomerverhältnisses, in einem ersten Stoffvolumen durch eine Kodiereinrichtung zu kodieren. Die derart kodierte Information wird dann durch Einbringen des ersten Stoffvolumens in einen Stoffstrom durch eine

Aktoreinrichtung von diesem Stoffstrom stromabwärts befördert, wo dem Stoffstrom durch eine Entnahmeeinrichtung ein zweites Stoffvolumen entnommen wird und die Information anhand der darin vorliegenden Isotopenkonzentration, insbesondere der Isotopomerkonzentration, bzw. des Isotopenverhältnisses, insbesondere des Isotopomerverhältnisses, durch eine

Recheneinrichtung dekodiert wird, so dass sie ausgegeben werden kann.

Dadurch kann die, insbesondere den Stoffstrom betreffende, Information intrinsisch und sicher übertragen werden. Die Übertragung der Information erfordert insbesondere keine

modellbasierte Datenübertragung und ist daher besonders genau und zuverlässig.

Die Übertragung von Information über einen Stoffstrom dient vorzugsweise zur Kommunikation zwischen einer Informationseingabevorrichtung und einer Informationsausgabevorrichtung. Die einem flüssigen Transportmedium des Stoffstroms, vorzugsweise Wasser, zugeführte und vorzugsweise eindeutig bestimmbare Konzentration von Isotopen oder Isotopomeren, insbesondere ein eindeutig bestimmbares Isotopenverhältnis bzw. Isotopomerenverhältnis, enthält dabei die kodierte Information und ermöglicht deren Transport mit dem Stoffstrom.

Dabei wird anhand der derart übertragenen Information eine gezielte Regelung oder Steuerung von weiteren Vorrichtungen zur Beeinflussung des Stoffstroms, beispielsweise Pumpen oder Ventilen, ermöglicht. Die Modulation der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, und die stromabwärts erfolgende Demodulation kann zur Kommunikation über im Wesentlichen beliebige Distanzen, insbesondere von wenigen cm bis zu einigen hunderten von Metern, gegebenenfalls bis zu einigen Kilometern, eingesetzt werden. Dabei wird die Information durch Dispersion über längere Zeiträume, insbesondere von einigen Minuten oder einigen Stunden, verwischt. Somit erfolgt im Wesentlichen keine Verschmutzung des

Stoffstroms bzw. im Wesentlichen keine Veränderung der Zusammensetzung des Stoffstroms. Entsprechend werden Isotopenkonzentrationen, insbesondere Isotopomerkonzentration, bzw. Isotopenverhältnisse, insbesondere Isotopomerverhältnisses, vorzugsweise über die Zeit, in der Weise moduliert, dass die derart kodierte Information für Zeitmaßstäbe von Minuten bis zu Stunden, gegebenenfalls einigen Tagen, lesbar sind. Es handelt sich daher sowohl um eine saubere als auch eine nachhaltige Kommunikation, bei der die in den Stoffstrom eingebrachte Information über einen längeren Zeitraum ausgelesen werden kann und die im Wesentlichen keine bleibende Änderung von Isotopenkonzentrationen, insbesondere

Isotopomerkonzentrationen, im Stoffstrom bewirkt.

Die Übertragung von Information über einen Stoffstrom ist besonders vorteilhaft einsetzbar in, insbesondere geschlossenen, Wasserkreisläufen, wie sie etwa in der Produktion oder von Wasserversorgern eingesetzt werden. Alternativ kann die Übertragung von Informationen über einen Stoffstrom vorteilhaft auch in Wasserversorgungsnetzwerken, insbesondere in

Wasserleitungen in Gebäuden, eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einer

Verschmutzung des Wassers die Information über den Zustand des Wassers direkt mit dem Wasser übertragen werden und das Abschalten von Pumpen und/oder Stoffströmen

stromabwärts basierend auf dieser übertragenen Information gesteuert werden.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung des Informationsflusses über einen Stoffstrom, insbesondere die Kommunikation über den Stoffstrom.

In einer bevorzugten Ausführung ist die zu übertragende Information eine digitale Information, welche beispielsweise als Binärcode vorliegt. Vorzugsweise weist die Kodiereinrichtung eine Schnittstelle auf, über welche die digitale Information eingebbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Kodiereinrichtung auch dazu eingerichtet sein, zur Verfügung gestellte Information in digitale Information, insbesondere in einen Binärcode, umzuwandeln. Digitale Information, insbesondere eine binär codierte Information, kann besonders leicht durch eine Modulation einer Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopen mehreren, bzw. der Modulation eines Isotopenverhältnisses, insbesondere Isotopomerverhältnisses, kodiert, in den Stoffstrom eingebracht und von diesem übertragen werden. In einer bevorzugten Ausführung sind die Aktoreinrichtung und die Entnahmeeinrichtung dazu eingerichtet, das erste Stoffvolumen und das zweite Stoffvolumen in vorgegebenen

Zeitintervallen in den Stoffstrom einzubringen bzw. aus diesem zu entnehmen. Vorzugsweise sind die Zeitintervalle kürzer als 5 Stunden, bevorzugt kürzer als 1 Stunde, besonders bevorzugt kürzer als 1 Minute, insbesondere kürzer als 5 Sekunden, am bevorzugtesten kürzer als 1 Sekunde. Dadurch kann im Wesentlichen jederzeit eine Information in den Stoffstrom eingebracht bzw. von diesem übertragen werden. Entsprechend wird auch eine zeitlich enge, im Wesentlichen kontinuierliche Überwachung des Stoffstromes auf eine darin enthaltene Information ermöglicht.

Vorzugsweise sind die Zeitintervalle derart vorgegeben, dass die zu übertragende Information dem ersten Stoffvolumen über eine zeitliche Modulation der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, aufgeprägt bzw. ausgelesen werden kann. Beispielsweise können in fünf aufeinanderfolgenden Zeitintervallen fünf Stellen eines

Binärcodes übermittelt werden, indem die Konzentration in jedem der Zeitintervalle, welches jeweils einer Stelle des Binärcodes entspricht, jeweils derart moduliert wird, dass sie oberhalb oder unterhalb eines Konzentrationsschwellenwerts liegt, was einer 1 bzw. einer 0 im Binärcode entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Recheneinrichtung dazu eingerichtet, die zu übertragende Information anhand von aufeinanderfolgend ermittelten Konzentrationen von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen zu rekonstruieren. Vorzugsweise ist die Recheneinrichtung dazu eingerichtet, aus den

aufeinanderfolgend ermittelten Konzentrationen eine digitale Information, insbesondere einen Binärcode, zu rekonstruieren. Dadurch kann die Information genau und zuverlässig übertragen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, durch eine Laserabsorptionsmessung zu ermitteln. Vorzugsweise weist die Detektionsvorrichtung dazu eine Laserquelle, beispielsweise eine Laserdiode, und eine entsprechende Detektionseinheit, beispielsweise eine Fotodiode, auf. Die Laserabsorptionsmessung kann insbesondere mittels der sog. Tunable Diode Laser Absorption-Messtechnik (TDLA) ausgeführt werden. Dadurch kann eine Isotopenkonzentration bzw. ein Isotopenverhältnis besonders genau ermittelt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Kodiereinrichtung dazu eingerichtet, die Konzentration von Sauerstoffisotopen und/oder Wasserstoffisotopen im ersten Stoffvolumen zu modulieren, und die Detektionseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Konzentration von

Sauerstoffisotopen und/oder Wasserstoffisotopen im zweiten Stoffvolumen zu ermitteln.

Insbesondere ist die Detektionsvorrichtung dazu eingerichtet, eine Laserabsorptionsmessung bei Wellenlängen auszuführen, bei denen Isotopomere des Wassermoleküls absorbieren.

Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Wasser als Transportmedium verwendet wird, d.h. der Stoffstrom ein Wasserstrom ist, da somit der Träger der Information, d.h. die Isotopomere, die gleichen Transporteigenschaften aufweist wie das Transportmedium. Insbesondere sind die Isotopomere von Wasser chemisch identisch zu Wasser, insbesondere gesundheitlich unbedenklich.

Alternativ oder zusätzlich ist die Kodiereinrichtung dazu eingerichtet, die Konzentration von Isotopomeren im Wasser gelöster Gase, insbesondere Stickstoff N 2 und/oder Krypton Kr, im ersten Stoffvolumen zu modulieren. Entsprechend ist die Detektionsvorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, die Konzentration von Isotopomeren dieser Gase im zweiten Stoffvolumen zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Kodiereinrichtung dazu eingerichtet, wenigstens ein Gas, insbesondere Stickstoff N 2 und/oder Krypton Kr, im ersten Stoffvolumen zu lösen und die Konzentration von Isotopen, insbesondere Isotopomeren, des wenigstens einen Gases, zu modulieren.

Durch die vorstehend beschriebenen Ausführungen kann die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, besonders zuverlässig moduliert und damit die Information besonders zuverlässig codiert und übertragen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das System eine Steuerungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, den Stoffstrom anhand der ausgegeben rekonstruierten

Information zu steuern. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, eine oder mehrere Vorrichtung zur Beeinflussung des Stoffstroms, beispielsweise Pumpen und/oder Ventilen, zu steuern, oder weist diese Vorrichtungen auf. Dadurch kann, beispielsweise im Fall einer Verschmutzung eines Wasserkreislaufs, der Stoffstrom automatisiert gestoppt oder umgeleitet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Informationseingabeeinrichtung und/oder die Informationsausgabeeinrichtung für das Internet der Dinge (loT) als Intelligenter Gegenstand ausgelegt. Derartig konfigurierbar ist das System in kabellose Sensornetzwerke und -Systeme oder Informationssysteme, die aus dem Zusammenspiel einzelner Komponenten und Dienste im Internet der Dinge gebildet werden, integrierbar und skalierbar.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:

Fig. 1 ein Beispiel für ein System zur Übertragung von Information durch einen Stoffstrom;

Fig. 2 ein Beispiel für ein Verfahren zur Übertragung von Information durch einen Stoffstrom; und

Fig. 3 ein Beispiel für eine Variante des Verfahrens zur Übertragung von Information durch einen Stoffstrom.

Figur 1 zeigt ein Beispiel für ein System 1 zur Übertragung von Information 2 durch einen Stoffstrom 3 mit einer Informationseingabevorrichtung 4 und einer stromabwärts der

Informationseingabevorrichtung 4 angeordneten Informationsausgabevorrichtung 5.

Die zu übertragende Information 2, welche im vorliegenden Beispiel als Binärcode mit acht Stellen vorliegt, wird von einer Kodiereinrichtung 4a der Informationseingabevorrichtung 4 dazu genutzt, eine Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen 6 derart zu modulieren, dass die zu übertragende Information 2 im ersten Stoffvolumen 6 in der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, oder einem Isotopenverhältnis kodiert vorliegt. Der im Stoffvolumen 6 enthaltene Stoff, beispielsweise Wasser, wird entsprechend auch als Transport- oder Trägermedium bezeichnet, da es die zu übertragende Information 2 trägt bzw. transportiert.

Die Kodiereinrichtung 4a ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, oder ein Verhältnis von wenigstens zwei verschiedenen Isotopen, insbesondere Isotopomeren, durch Zuführen der entsprechenden Isotope, insbesondere Isotopomere, in das erste Stoffvolumen 6 zu modulieren.

In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel weist die Kodiereinrichtung 4a zu diesem Zweck einen Tank 4c auf, in dem das erste Stoffvolumen 6 zur Modulation der Konzentration bzw. des Konzentrationsverhältnisses bereitgestellt werden kann. Das erste Stoffvolumen 6 kann dabei dem Stoffstrom 3 entnommen sein oder von der

Informationseingabevorrichtung 4 bereitgestellt werden. Eine Aktoreinrichtung 4b der Informationseingabevorrichtung 4 führt das erste Stoffvolumen 6 dem Stoffstrom 3 zu, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils oder Aktivieren einer Pumpe. Dadurch kann das erste Stoffvolumen 6 und damit die in ihm enthaltene Information 2 in Form der modulierten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, stromabwärts bis zur Informationsausgabevorrichtung 5 transportiert werden.

Die Kodiereinrichtung 4a ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, oder ein Verhältnis von wenigstens zwei verschiedenen Isotopen, insbesondere Isotopomeren, durch eine zeitliche Änderung der Konzentration bzw. des Verhältnisses zu modulieren. Vorzugsweise wird dazu eine erste Konzentration oder ein erstes Verhältnis im ersten Stoffvolumen 6 durch die

Kodiereinrichtung 4a eingestellt und durch die Aktoreinrichtung 4b dem Stoffstrom 3 zugeführt. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall wird im ersten Stoffvolumen 6 eine zweite

Konzentration oder ein zweites Verhältnis eingestellt und dem Stoffstrom 3 zugeführt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis in der dadurch bewirkten zeitlichen Modulation der Konzentration oder des Verhältnisses die gesamte zu übertragende Information 2 im Stoffstrom 3 enthalten ist.

Beispielsweise kann die zu übertragende Information 2 als Binärcode zur Verfügung stehen oder von der Kodierungseinrichtung 4a in einen Binärcode umgewandelt werden. Die im ersten Stoffvolumen 6 jeweils eingestellte Konzentration oder Verhältnis entspricht dabei einem Bit. Liegt die Konzentration oder das Verhältnis beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts, entspricht dies einer 0. Liegt die Konzentration dagegen oberhalb des vorgegebenen Schwellenwerts, entspricht dies einer 1. Durch N-malige Wiederholung des oben beschriebenen Vorgangs ist die gesamte zu übertragende Information 2 Stoffstrom 3 enthalten, wenn N die Anzahl der Bits im Binärcode ist.

Alternativ kann die gesamte zu übertragende Information 2 aber auch in einem einzigen ersten Stoffvolumen 6 enthalten sein. Ein erstes vorgegebenes Isotopenverhältnis kann beispielsweise einer Nachricht„Trinkwasser abkochen", ein zweites vorgegebenes Isotopenverhältnis einer Nachricht„Trinkwasser wegschütten", ein drittes vorgegebenes Isotopenverhältnis einer Nachricht„Bakterien im Trinkwasser enthalten" entsprechen. Das erste Stoffvolumen 6 mit einem entsprechenden Isotopenverhältnis kann beispielsweise bei einem Vorfall in einem Trinkwassersystem von einer Informationseingabevorrichtung 4 eines Wasserversorgers in das Trinkwassersystem eingespeist werden und die entsprechende Information von

Informationsausgabevorrichtungen 5 in den Haushalten ausgelesen werden. Alternativ können einzelnen Bits verschiedenen Isotopenverhältnissen, also unterschiedlichen Abundanzen von Isotopen bzw. Isotopomeren relativ zueinander, entsprechen, wobei ein Bit einer 0 oder einer 1 entspricht, wenn das entsprechende Verhältnis unterhalb bzw. oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Ein Binärcode mit N Stellen benötigt dabei zur Übermittlung dabei N verschiedene, einzeln bestimmbare bzw. einstellbare

Isotopenverhältnisse.

Die Informationsausgabevorrichtung 5 weist eine Entnahmeeinrichtung 5a auf, welche dazu eingerichtet ist, ein zweites Stoffvolumen 7 aus dem Stoffstrom 3 zu entnehmen. Das zweite Stoffvolumen 7 entspricht dabei einer Probe, durch deren Analyse die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, oder das Verhältnis von wenigstens zwei Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im Stoffstrom 3 bzw. in dem Teil des Stoffstroms 3, welcher zum Zeitpunkt der Entnahme des zweiten Stoffvolumens 7 an der Entnahmeeinrichtung 5a vorbeiströmt, ermittelt werden kann. Zur Ermittlung der Konzentration ist eine Detektionseinrichtung 5b vorgesehen, welche vorzugsweise dazu eingerichtet ist, eine Laserabsorptionsmessung am zweiten Stoffvolumen 7 durchzuführen.

Die Laserabsorptionsmessung wird vorzugsweise mittels der sog. Tunable Diode Laser Absorption (TDLAS) durchgeführt, mit der es möglich ist, Messungen der Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, mit einer Laserdiode und bezüglich der Wellenlänge sehr genau eingestellten Lichtimpulsen im 1 Herz-Takt

durchzuführen (vgl. Cavitv-enhanced multiplexed comb spectroscopy down to the photon shot noise. R. Grilli, G. Mejean, C. Abd Alrahman, I. Ventrillard, S. Kassi, D. Romanini. Physical Review A, American Physical Society, 2012, 85, pp.51804).

Dabei wird eine Wellenlänge, bei der ein im zweiten Stoffvolumen 7 enthaltenes Isotopomer absorbiert, eingestellt und bei dieser Wellenlänge die Absorption gemessen und die Abundanz des Isotopomers bestimmt. Durch eine entsprechende Einstellung der Wellenlänge auf die Absorption eines weiteren Isotopomers kann auch dessen Abundanz gemessen werden. Aus dem Verhältnis der Abundanzen kann beispielsweise ein Isotopenverhältnis bestimmt werden. Somit kann ein Isotopenverhältnis im zweiten Stoffvolumen mit der Frequenz von 1 Hz ermittelt werden.

Anhand der ermittelten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, oder dem Verhältnis von zwei Isotopen, insbesondere Isotopomeren, kann die zu übertragenden Information 2 rekonstruiert werden. Dazu ist eine Recheneinrichtung 5c vorgesehen, welche beispielsweise die, insbesondere zeitliche, Modulation der Konzentration oder des Verhältnisses erfasst und daraus eine rekonstruierte Information 2' ableitet.

Analog zu Kodiereinrichtung 4a und Aktoreinrichtung 4b können auch Entnahmeeinrichtung 5a, Detektionseinrichtung 5b und Recheneinrichtung 5c dazu eingerichtet sein, das zweite

Stoffvolumen 7 aus dem Stoffstrom 3 wiederholt zu entnehmen und die Konzentration oder das Verhältnis wiederholt zu ermitteln, wobei zwischen zwei Entnahmen jeweils das vorgegebene Zeitintervall liegt. Auf Basis der zeitlichen Abfolge der ermittelten Konzentrationen bzw.

Verhältnisse kann die Recheneinrichtung 5c die zu übertragende Information 2

zusammensetzen und die rekonstruierte Information 2' ausgeben.

Figur 2 zeigt Schema eines Beispiels für ein Verfahren 100 zur Übertragung von Information 2 über einen Stoffstrom 3, insbesondere Wasserstrom. Dabei wird in einem Verfahrensschritt S1 eine Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, in einem ersten Stoffvolumen anhand der zu übertragenden Information 2 moduliert und in einem weiteren Verfahrensschritt S2 in den Stoffstrom 3, beispielsweise durch eine Aktoreinrichtung, eingebracht. Mit anderen Worten wird die zu übertragende Information 2 in dem ersten

Stoffvolumen ortsbezogen kodiert, d.h. eine Konzentration von einem oder mehreren Isotopen in dem ersten Stoffvolumen synthetisiert, und in den Stoffstrom (ein)gemischt.

Stromabwärts wird in einem weiteren Verfahrensschritt S3 ein zweites Stoffvolumen aus dem Stoffstrom 3, etwa durch eine Entnahmeeinrichtung, entnommen, so dass in einem weiteren Verfahrensschritt S4 die Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, im zweiten Stoffvolumen ermittelt werden kann. Mit anderen Worten wird stromabwärts eine ortsbezogene Analyse des Stoffstroms 3 durchgeführt, in der das zweite Stoffvolumen aufgetrennt bzw. entmischt wird, um die Isotopenkonzentration zu ermitteln. Daraus kann in einem weiteren Verfahrensschritt S5 die zu übertragende Information 2 aus der ermittelten Konzentration von einem oder mehreren Isotopen, insbesondere Isotopomeren, rekonstruiert werden und als rekonstruierte Information 2', beispielsweise durch eine

Ausgabeeinrichtung, in einem weiteren Verfahrensschritt S6 ausgegeben werden. Figur 3 zeigt ein Beispiel einer Variante für ein Verfahren 100 zur Übertragung von Information über einen Stoffstrom 3, insbesondere Wasserstrom, in einer schematischen Darstellung. Dabei wird an einer ersten Position X1 des Stoffstroms 3 ein Stoffvolumen zur Analyse aus dem Stoffstrom entnommen und, insbesondere basierend auf dem Ergebnis der Analyse, durch ein erstes Stoffvolumen an einer zweiten Position X2 des Stoffstroms 3 mittels einer

Informationseingabevorrichtung ersetzt. Dabei enthält das erste Stoffvolumen die zu

übertragende Information, welche vorzugsweise vom Ergebnis der Analyse des an der ersten Position X1 entnommenen Stoffvolumens abhängt, in Form einer Isotopomerenkodierung, insbesondere eines Isotopomerenverhältnisses. Diese zu übertragende Information kann dann stromabwärts der zweiten Position X2 von einer Informationsausgabevorrichtung ausgewertet werden gegebenenfalls dazu genutzt werden, den Stoffstrom 3 zu beeinflussen.

Der Stoffstrom 3 kann dabei, zumindest teilweise, auch als Kreislauf, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, vorliegen, so dass die zu übertragende Information auch an der

Position X1 von der Informationsausgabevorrichtung ausgewertet werden kann, die durch die Rückführung des Stoffstroms 3 im Kreislauf im Sinne der Erfindung stromabwärts der

Informationseingabevorrichtung an der Position X2 angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

1 System zum Übermitteln von Information durch einen Stoffstrom

2 zu übermittelnde Information

2' rekonstruierte Information

3 Stoffstrom

4 Informationseingabevorrichtung

4a Kodiereinrichtung

4b Aktoreinrichtung

4c Tank

5 Informationsausgabevorrichtung

5a Entnahmeeinrichtung

5b Detektionseinrichtung

5c Recheneinrichtung

6 erstes Stoffvolumen

7 zweites Stoffvolumen

100 Verfahren zum Übermitteln von Information durch einen Stoffstrom

S1 bis S6 Verfahrensschritte

X1 , X2 Positionen