Ein Tropfen fällt auf ein Solarpanel, so leise, dass kein Mensch es bemerkt – und doch zittert die Oberfläche einen winzigen Moment lang. Genau dieses Zittern haben Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau zusammen mit der Firma Pan Acoustics aus Wolfenbüttel nun als Messinstrument nutzbar gemacht. Trifft Regen auf eine Fläche, versetzt er sie in Schwingung. Kleine Sensoren, die diesen sogenannten Körperschall – also Schwingungen, die sich durch einen festen Körper ausbreiten, statt durch die Luft – aufnehmen, erfassen diese Erschütterungen direkt an Solarmodulen. Ein darauf trainiertes Computermodell errechnet daraus, wie stark der Niederschlag gerade ist. Im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt „lokalRAIN" haben die Partner die Methode im Labor und im Freien erprobt und zu einem funktionsfähigen Demonstrator ausgebaut. Dass das Prinzip funktioniert, ist inzwischen belegt: Bei leichtem bis mäßigem Regen zwischen 2 und 5 Millimetern pro Stunde lag die Messung im Schnitt nur 1,88 Millimeter pro Stunde neben dem tatsächlichen Wert – genau genug, um die Genauigkeitsklasse C der Weltorganisation für Meteorologie zu erreichen, die eine Abweichung von bis zu 2 Millimetern pro Stunde zulässt.
Warum braucht es überhaupt eine neue Art, Regen zu messen? Klassische Regenmesser an Wetterstationen sind präzise, aber teuer in Anschaffung und Wartung. Deshalb stehen sie meist nur an wenigen, weit verstreuten Orten. Bei einem lokal begrenzten Starkregen – etwa einem Wolkenbruch, der nur über einem Stadtviertel niedergeht – kann die Regenmenge aber schon über wenige hundert Meter hinweg stark schwanken. Ein dichtes Netz zusätzlicher, vernetzter Messpunkte könnte solche Unterschiede sichtbar machen, die heute schlicht durch die Maschen fallen.
Wie funktioniert die akustische Regenmessung genau?
Die Grundidee ist bestechend einfach: Photovoltaikmodule, wie sie ohnehin schon auf unzähligen Dächern installiert sind, werden zu Sensorflächen umfunktioniert. Statt zusätzliche Messgeräte aufzustellen, nutzt man eine Infrastruktur, die bereits existiert. Im sogenannten Regensimulator des Fraunhofer IDMT haben die Forschenden zunächst systematisch untersucht, wie unterschiedlich starke Niederschläge und verschieden große Tropfen auf verschiedenen Solarmodulen, mit verschiedenen Sensortypen und Sensorpositionen wirken. Anschließend bauten sie drei Messsysteme unter realen Wetterbedingungen auf: am Fraunhofer IDMT selbst in Ilmenau, bei Pan Acoustics in Wolfenbüttel und im sogenannten Wettergarten der TU Ilmenau, einem Testgelände für meteorologische Messungen. Die dort gesammelten Daten wurden mit offiziellen Referenz-Niederschlagsdaten abgeglichen und dienten dazu, das lernende Computermodell zu trainieren und zu testen.
Besonders durchdacht ist, wie die Daten anschließend verarbeitet werden. Die Auswertung geschieht nicht in einem fernen Rechenzentrum, sondern direkt am Sensor selbst, auf einem kleinen, stromsparenden Mikrocontroller – einem winzigen Computerchip, der kaum Energie verbraucht. Dadurch muss nicht die gesamte Rohschwingung übertragen werden, sondern nur das fertige Ergebnis: ein kompakter Wert für die Regenintensität. Für die Funkübertragung dieser Daten hat Pan Acoustics eine eigene Technik entwickelt. In Tests erreichte sie Reichweiten von rund vier Kilometern in der Stadt – wo Gebäude das Signal bremsen – und mehr als 35 Kilometern auf dem Land, wo freie Sicht zwischen Sender und Empfänger besteht. Das sind Entfernungen, die ohne Mobilfunknetz oder Internetanschluss auskommen und damit auch für abgelegene Standorte interessant sind. Zusammengeführt werden alle Messpunkte am Ende in einer zentralen Dateninfrastruktur des Fraunhofer IDMT.
Wichtig ist dabei: Die neue Methode soll die hochpräzisen, klassischen Messgeräte nicht ersetzen, sondern das bestehende Netz um zusätzliche, wartungsarme Punkte ergänzen. Wartungsarm sind die Sensoren vor allem deshalb, weil sie ohne bewegliche Teile auskommen und wenig Strom brauchen – zwei Eigenschaften, die sie langlebig machen und seltene Reparatureinsätze erfordern.
Wo könnten solche Regensensoren künftig zum Einsatz kommen?
Noch ist die Technik kein fertiges Produkt, sondern ein Demonstrator – ein funktionierendes Versuchsmodell, das zeigt, dass das Prinzip trägt, aber noch nicht für den breiten Alltagseinsatz optimiert ist. Jakob Bergner, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer IDMT wissenschaftlich leitet, bringt den aktuellen Stand so auf den Punkt:
"Die Machbarkeit unseres Ansatzes für Leichtregen haben wir nachgewiesen. Jetzt wollen wir weitere Daten für die seltener vorkommenden Starkregenereignisse sammeln und so das Verfahren für unterschiedliche Einsatzbedingungen optimieren."
— Jakob Bergner, wissenschaftlicher Leiter des Forschungsprojekts am Fraunhofer IDMT
Für kräftigen, seltener auftretenden Starkregen fehlen bislang schlicht genügend Trainingsdaten, um das Computermodell ebenso verlässlich zu machen wie bei leichtem Regen. Genau daran arbeitet das Team jetzt weiter. Gleichzeitig sucht das Institut nach eigenen Angaben weitere Praxispartner, die das System unter unterschiedlichen Bedingungen testen wollen. Bergner beschreibt das Ziel so:
"Hierfür suchen wir Praxispartner, mit denen wir das Messsystem unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen erproben und für konkrete Anwendungen weiterentwickeln können."
— Jakob Bergner, Fraunhofer IDMT
Die möglichen Einsatzfelder sind vielfältig. Besonders naheliegend erscheint die Integration in sogenannte Urban Digital Twins – digitale Zwillinge von Städten, in denen reale Infrastruktur und Umweltdaten am Computer nachgebildet werden. Dort ließen sich Niederschlagsdaten räumlich darstellen und mit anderen Informationen verknüpfen. Kommunale Leitstellen und Betreiber von Infrastruktur könnten so schneller erkennen, wo gerade ein Starkregen niedergeht, und entsprechend reagieren. Langfristig helfen solche Daten auch dabei, Entwässerungssysteme zu planen oder Überschwemmungsrisiken besser einzuschätzen. Versicherungen könnten ortsgenaue Niederschlagsdaten für Risikoanalysen und die Bewertung von Schäden nutzen, Wetterdienste könnten ein dichteres Messnetz als zusätzliche Grundlage für ihre Vorhersagemodelle gebrauchen. Auch in der Landwirtschaft wären lokale Regendaten wertvoll, etwa um Bewässerung bedarfsgerechter zu steuern – an einem entsprechenden Ansatz mit vernetzten Sensorknoten im Bereich der sogenannten Agri-Photovoltaik, also der kombinierten Nutzung von Flächen für Solarstrom und Landwirtschaft, arbeitet das Fraunhofer IDMT bereits in einem weiteren Projekt.
Dass der Bedarf real ist, zeigt sich auch an den Reaktionen aus der Praxis. Bergner berichtet von ersten Anfragen aus genau jenen Bereichen, die von Starkregen am unmittelbarsten betroffen sind:
"Wir haben bereits Anfragen von kommunalen Infrastrukturbetreibern und Feuerwehren erhalten, die Interesse an einer flächendeckenden Niederschlagsmessung in Echtzeit haben."
— Jakob Bergner, Fraunhofer IDMT
Bis ein serienreifes, überall einsetzbares System daraus wird, ist allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig. Die Gehäuse und die Elektronik der Sensoren müssen weiter verbessert, die Qualitätssicherung ausgebaut und die Grundlagen für eine spätere CE-Kennzeichnung geschaffen werden – jenes Prüfzeichen, das bestätigt, dass ein Produkt europäische Sicherheits- und Umweltanforderungen erfüllt. Das Forschungsprojekt „lokalRAIN" selbst lief von Oktober 2024 bis Juni 2026 und wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Am Ende bleibt eine einfache, fast poetische Vorstellung: Millionen Solaranlagen, die längst auf Dächern und Feldern stehen, könnten künftig nicht nur Strom liefern, sondern nebenbei auch erzählen, wie das Wetter gerade über ihnen tobt – ein stiller Chor aus Schwingungen, den bislang niemand abgehört hat.
