Toxische Industriechemikalien, welche bei Unfällen oder gezielt durch terroristische Anschläge freigesetzt werden, stellen genauso wie Sprengstoffe eine erhebliche Gefahr für die zivile Sicherheit dar. Durch die wissenschaftliche Erforschung eines neuen Ansatzes, den Betrieb eines Massenspektrometers bei hohem Druck, zur hochsensitiven und schnellen vor-Ort-Detektion relevanter Gefahrstoffe sollen in diesem Teilvorhaben die wissenschaftlichen Grundlagen für die spätere Entwicklung eines baukleinen Hochdruck-Massenspektrometers (HiP-MS) geschaffen werden, um so den Schutz von Einsatzkräften und der Gesellschaft vor Bedrohungen durch Terrorismus und Großschadenslagen zu verbessern. Im Vorhaben ist daher ein modularer, baukleiner Demonstrator zur Klärung der wissenschaftlichen Fragestellungen aufzubauen und eingehend zu untersuchen. Die Kombination aus hohem Druck und hoher elektrischer Feldstärke führt dabei zu neuen Effekten bei der Ionenbildung und Ionentrennung, die eine schnelle, zuverlässige und hochempfindliche Gefahrstoffdetektion ermöglichen. Dieses Teilvorhaben konzentriert sich auf die wissenschaftlichen Grundlagen zur Ionisation und Substanzidentifikation sowie den Entwurf eines Systems mit hoher analytischer Leistungsfähigkeit trotz kleiner Baugröße.
Ziel des Teilvorhabens ist es, die mathematischen Grundlagen für eine robuste Simulation von Trinkwasserversorgungssystemen unter extremen Betriebsbedingungen, wie sie z.B. durch Naturkatastrophen, Anschläge, Sabotage oder Ausfall verbundener Infrastrukturen entstehen können, zu erarbeiten. Die Ergebnisse sollen in einem Demonstrator für die robuste Simulation solcher Systeme implementiert werden. Der resultierende mathematische Kern in Ergänzung durch die Ergebnisse der Untersuchungen zur Vulnerabilität, Robustheit und Resilienz von Trinkwasserversorgungsystemen bildet die Grundlage für das Endergebnis des Teilvorhabens den Trainingssimulator. Der Trainingssimulator dient einerseits der Schulung von Betriebspersonal, um auf Extremsituationen ausreichend vorbereitet zu sein und um in Krisenfällen die richtigen Entscheidungen treffen zu können. Andererseits soll die Software auch als Planungswerkzeug Ingenieure bereits im Entwurfsstadium bei der Ermittlung eines robusten und widerstandsfähigen Designs von Trinkwasserversorgungssystemen unterstützen. Die Arbeiten lassen sich grob in zwei Schwerpunkte unterteilen. Im ersten Teil sollen die Grundlagen in Form eines mathematischen Modells zur sicheren und konvergenten Simulation von druckabhängigen Entnahmen, Kontrollarmaturen unter Berücksichtigung von Parameterunsicherheiten und Ergebnisgüte erarbeitet werden (Matlab-Code). Die Arbeiten erfolgen in engem Austausch mit dem fr. Projektpartner Irstea. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse zusammengefasst und als ausführbare Software (robuster Simulator) in Anbindung an das Programmpaket SIR 3S implementiert. Die robuste Simulator bildet schließlich die Grundlage für den Trainingssimulator-Demonstrator. Abschließende Tests erfolgen für die Pilotzonen der Projektpartner BWB, CUS und Veolia.
Städtische Trinkwasserversorgungssysteme (TWVS) sind komplexe Anlagen der technischen Infrastruktur, deren zuverlässiger Betrieb durch die verteilte Struktur der Anlagen und die Interdependenz mit anderen Infrastruktursystemen (Stromversorgung, Telekommunikation) einer steten Gefahr durch Ausfall betriebsrelevanter Komponenten sowie Kontamination des Trinkwassers ausgesetzt ist. Als auslösende Ereignisse kommen Naturkatastrophen, terroristische Angriffe oder Sabotage sowie technische Kettenreaktionen (Stromausfall, Hackerangriff) in Betracht. Ziel des Projekts ResiWater ist die Erhöhung der Sicherheit und Robustheit von TWVS gegenüber Extremereignissen mittels neuartiger Sensorsysteme, Detektionsverfahren und Monitoring-Tools, robusten Trainingssimulatoren und Evaluierungs-Tools zum Übergang zu widerstandsfähigen, robusten und effizienten TWVS. Beiträge des IOSB und IGB sind: 1. Vollautomatisierter Biosensor zur breitbandigen, schnellen und robusten Detektion von Kontaminationen im Trinkwasser (IOSB und IGB) 2. Untersuchungen zu integrierten und sicheren Sensornetzwerken (IOSB) 3. Selbstlernendes Online-Monitoring-System (IOSB) 4. Werkzeuge zur Risikoanalyse von IT-Infrastrukturen (IOSB) Zunächst werden Anwendungsszenarien spezifiziert. IOSB und IGB werden den automatisierten und langzeitstabilen biologischen Toxizitäts-Sensor erarbeiten sowie Untersuchungen zu integrierten und sicheren Sensornetzwerken durchführen. Das IOSB leitet die Aktivitäten zur Erarbeitung eines selbstlernenden Monitoring- und Ereignisdetektionsmoduls. Das IOSB ist weiterhin federführend an der Entwicklung von Werkzeugen zur Bewertung der Vulnerabilität, Resilienz und Robustheit von Trinkwasserversorgungsnetzen sowie zur Entscheidungshilfe in der Entwurfsplanung beteiligt. Darüber hinaus bringt es sich in die zur Risikoanalyse der IT-Infrastrukturen ein.
Das Teilvorhaben setzt schwerpunktmäßig auf der Ebene Sensorik für die Überwachung des Trinkwasserverteilungssystems an und adressiert die in den Förderrichtlinien genannten zentralen Forschungsaspekte 'Überwachung, Diagnostik und Früherkennung'. Das Gesamtziel der im Rahmen des Teilprojektes geplanten Arbeiten besteht darin, die neue Generation innovativer Sensoren detailliert im Hinblick auf die Praxistauglichkeit zu untersuchen und hierdurch eindeutige Aussagen zu ermöglichen, welche Systeme und Systemkombinationen unter praktischen Gesichtspunkten für die Erhöhung der Resilienz des Trinkwassersystems geeignet sind. Der Arbeitsplan setzte sich folgendermaßen zusammen: Zu Beginn werden die im Forschungsprojekt zu betrachtenden Anwendungsfälle definiert, Anwendungsfälle bei den Praxispartnern untersucht sowie Empfehlungen zu intelligenten Sensorkonzepten zur Erhöhung der Resilienz erarbeitet. Daran schließen sich praxisnahe Testreihen mit dem BiosensorAquaBioTox, die Bewertung des Potentials spektroskopischer online Systeme für den Praxiseinsatz sowie Untersuchung zu integrierten undsicheren Sensornetzwerken an. Zudem werden online Plausibilitätschecks mit dem durch das IOSB entwickelten erweiterten Ereignisdetektionsmoduls unter Nutzung von Online-Simulationsmodellen durchgeführt. Abschließend werden Strategien zur Realisierung der Wasserversorgung bei Ausfall relevanter Infrastrukturkomponenten definiert.