Wassersysteme auf der ganzen Welt sind stark belastet. Jedes Jahr werden alte Rohre noch älter, während die Bevölkerung wächst und immer mehr Gebäude errichtet werden. In den USA gehen Billionen von Litern an Trinkwasser durch Leckagen und Rohrbrüche verloren, und die Kosten potenzieller zukünftiger Reparaturen sind Schätzungen zufolge unglaublich hoch: 625 Milliarden US-Dollar in den nächsten 20 Jahren, nur um Amerikas marode Wassernetze zu reparieren.
Der Klimawandel wird das Problem noch verschlimmern, da der Zugang zu sauberem Wasser bereits zu einem dringenden globalen Problem geworden ist. In diesem Jahr sind in Johannesburg die Wasserhähne versiegt, während Mexiko-Stadt bis zu 40 % seines Wassers durch marode Haupt- und Versorgungsanschlüsse verliert.
Doch es gibt Hoffnung am Horizont: Design-and-Make-Unternehmen auf der ganzen Welt reagieren auf diese gravierenden Umweltprobleme, indem sie Nachhaltigkeit zur Priorität machen. Laut dem Autodesk-Bericht 2024 State of Design & Make (Englisch) ergreifen 97 % der Unternehmen verschiedenster Branchen Maßnahmen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit. Sie setzen auf Technologie, um Umweltziele zu erreichen – und schaffen Chancen für die Entwicklung innovativer Lösungen und den Aufbau neuer Geschäftsmöglichkeiten.
Das französische Start-up-Unternehmen ACWA Robotics ist eines dieser Unternehmen. Das Unternehmen geht die kritischen Herausforderungen der Wasserwirtschaft an, indem es Robotiklösungen entwickelt, die sich durch Rohrsysteme bewegen, um Daten für ein effizienteres Wassermanagement zu sammeln.
Der autonome Unterwasserroboter von ACWA wartet darauf, in eine Testumgebung eingesetzt zu werden, in der die Bedingungen in einem Wassersystemrohr simuliert werden. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACWA Robotics.
„ACWA steht für Autonomous Clean Water Appliance“, so Jean-François Guiderdoni, Geschäftsführer von ACWA Robotics. „Weltweit versorgen 40 Millionen Kilometer Rohrleitungen Gebäude, Häuser und Unternehmen mit sauberem Wasser. Wir verlieren durchschnittlich 20 % bis 40 % des Wassers, das von diesem Rückgrat der Wasserversorgung transportiert wird. Das ist eine gewaltige Menge und hängt mit dem Zustand der Rohrleitungen zusammen.“
Um diese Situation zu verbessern, müssen Wasserversorger mehr Rohrleitungen erneuern, reparieren und ersetzen, damit sie weniger Wasser verlieren. „Da die gesamte Infrastruktur vor langer Zeit installiert und vergraben wurde, wissen sie nicht genau, wo und wann sie erneuert werden müssen“, erklärt Guiderdoni.
Um Wassernetzbetreibern die benötigten Informationen zur Verfügung zu stellen, hat ACWA Robotics Pionierarbeit bei der Entwicklung eines modularen Knickarmroboters geleistet, der sich selbstständig durch kilometerlange Rohre bewegen kann, ohne die Wasserversorgung zu unterbrechen. Er biegt und dreht sich, während mehrere Sensoren Daten erfassen, um Schwachpunkte und Leckstellen zu lokalisieren und ganz allgemein potenzielle Probleme zu identifizieren, damit Versorgungsunternehmen entsprechende effiziente Maßnahmen ergreifen können.
Der Roboter navigiert unter Wasser durch eine Wasserleitung und erfasst Daten über den Zustand der Leitung sowie mögliche Problemstellen. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACWA Robotics.
Das Ziel der intelligenten Rohrroboter des Unternehmens ist es, einen vollständigen Datensatz über den Zustand des Wasserleitungsnetzes zu sammeln. „Wir beschäftigen uns mit den größeren Rohren, den sogenannten Zuleitungsrohren oder Hauptleitungen“, erklärt Guiderdoni. „Das sind die strategischen Rohre, die, wenn sie brechen, eine ganze Stadt oder ein ganzes Viertel in Mitleidenschaft ziehen und massive finanzielle Verluste verursachen können, die die gesamte Stadt zum Stillstand bringen.“
Die Roboter erfassen Metriken wie Rohrdurchmesser, Restdicke des Rohrs an verschiedenen Stellen und Bereiche, in denen sich Korrosion bildet. Dabei nutzen sie Bilder mit hoher Auflösung und verschiedenste zerstörungsfreie Prüftechnologien. Neben der Durchführung von Zustandsbewertungen können die Roboter von ACWA auch Messwerte für Wassertemperatur, pH-Wert, Fließgeschwindigkeit und Trübung an Stellen sammeln, die fest installierte Sensoren nicht erreichen, und so zur Verbesserung von Wasserqualität und Leistung beitragen.
Die Route des Roboters entlang der Leitung wird vor Beginn festgelegt. Die Punkte werden nach Längengrad, Breitengrad und Höhe über dem Meeresspiegel georeferenziert. Das Unternehmen gibt an, dass es in der Lage sein wird, einen Standort innerhalb einer Fehlerspanne von 40 cm einzumessen. Nachdem der Roboter seine Mission abgeschlossen hat, macht er sich auf den Weg zurück zu seinem Einstiegspunkt oder zu einem vordefinierten Ausstiegsbereich.
Ein Rendering des Gelenkroboters zeigt, wie er sich biegt, um durch eine Wasserleitung zu navigieren. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACWA Robotics.
Von Anfang an bestand die Herausforderung für ACWA darin, eine Einheit zu entwickeln, die kompakt und flexibel genug ist, um durch Wassersysteme zu bewegen – klein genug, um das Wasser ohne Unterbrechung fließen zu lassen, aber groß genug, um die für die Datenerfassung erforderlichen Bordsysteme zu tragen.
Das Unternehmen entschied sich für Autodesk Fusion, um seinen Roboter mit einem aus 250 Teilen zusammengesetzten Hauptkörper aus Aluminium zum Leben zu erwecken. Die einzigen vorgefertigten Teile sind Motoren, Kugellager, Wellendichtungen, Schraubenmuttern und Batterien. Alles andere wurde speziell für den Roboter entworfen.
Die Entwurfsgruppe des Roboters ist in zwei Teams unterteilt – eines für die mechanische Konstruktion und eines für die Elektronik. Mit Fusion konnten beide Teams nahtlos zusammenarbeiten und 2D- und 3D-Zeichnungen, 3D-gerenderte Bilder sowie benutzerdefinierte Leiterplatten, Elektronikkarten und mechanische Bauteile erstellen. Die Teams verwenden die Fusion Simulation Extension, um präzise Belastungsanalysen und thermische Simulationen durchzuführen.
ACWA Robotics hat seinen autonomen Roboter in Simulationen unter rauen Bedingungen getestet, wobei der Wasserdruck auf bis zu 250 PSI und die Durchflussgeschwindigkeit auf bis zu 1,5 m/s gestiegen sind. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACWA Robotics.
Die von den Robotern in den Rohren gesammelten Daten dienen nicht nur der Identifizierung von Leckagen, sondern auch der strukturellen Bewertung der Rohre. „Wir können den Kunden sagen, an welchen Stellen es viel Korrosion, fehlerhafte Verbindungen oder Risse in Betonrohren gibt“, erklärt Guiderdoni und fügt hinzu, dass diese Informationen es ermöglichen, „einzugreifen, bevor ein Leck auftritt“.
Tragwerksbewertungen können „eine Reihe von Hinweisen liefern, die Versorgungsunternehmen bei der Entscheidung helfen, wo sie eine Reparatur durchführen sollten, wo kein Handlungsbedarf besteht oder wo sie ein Rohr noch in diesem Jahr oder vielleicht erst in zwei, drei, vier oder fünf Jahren erneuern müssen“, erklärt er. „Das Endziel ist es, dem Versorger einen klaren Überblick über den Zustand des Rohrs zu bieten und darüber, wie er sein Geld ausgeben sollte.“
In zukünftigen Entwicklungsphasen werden die Roboter von ACWA künstliche Intelligenz (KI) einsetzen, um die Art und Weise der Datenerfassung weiter zu verbessern. „KI wird es Robotern ermöglichen, sich während ihrer Missionen dynamisch anzupassen“, sagt er. So könnte beispielsweise ein Roboter Fotos in einer Wasserleitung aufnehmen. Und vielleicht erkennt er dabei einen Riss. Wenn dieser Riss eine bestimmte Form und Länge hat, würde der Roboter anhalten und genauer hinsehen. Das ist nur eine Möglichkeit, wie KI proaktiv bei der Wartung helfen und zugleich genauere Daten sammeln kann.“
Arbeiter implementieren ein Pilotprojekt für einen Roboter-Prototyp mit Aqua Publica, dem Wasserversorger in der ACWA-Heimatstadt Bastia auf der Insel Korsika. Bild mit freundlicher Genehmigung von ACWA Robotics.
Während sich die Technologie von ACWA Robotics ständig weiterentwickelt, ist die Suche nach qualifizierten Fachkräften für das Unternehmen eine kontinuierliche Herausforderung – wie für viele Unternehmen in der Design-and-Make-Branche (Englisch). „Fachkräfte zu finden und zu halten, ist eine Herausforderung, vor allem in Bezug auf Ingenieure“, sagt Guiderdoni. „Für uns ist es wichtig, die richtige Person zu finden.“
Die Kernaufgabe von ACWA, wichtige Nachhaltigkeitsthemen anzugehen, verschafft dem Unternehmen jedoch einen Vorteil bei der Anwerbung neuer Mitarbeiter. Laut der Studie State of Design & Make betrachten 72 % der Führungskräfte (Englisch) Nachhaltigkeit als einen der wichtigsten Faktoren, um Fachkräfte zu halten.
Guiderdoni merkt an, dass junge Arbeitnehmer nicht nur durch die Vergütung und eine herausfordernde Arbeit motiviert werden, sondern auch durch das Gefühl, einen positiven Einfluss auf die Welt zu haben. „Es gibt eine neue Generation von Menschen, die am Thema Nachhaltigkeit interessiert ist und in diesem Bereich etwas bewirken will“, so Guiderdoni. „Diejenigen, die zu unserem Unternehmen stoßen, finden bei uns nicht nur spannende technologische Herausforderungen, sondern sie sehen auch die positiven Auswirkungen ihrer Arbeit. Sie wissen, dass sie nicht nur ein Rädchen im Getriebe sind.“
Die Wassersystemmanager von heute stehen unter wachsendem Druck, sich den Herausforderungen der Wasserverschwendung, des mangelnden Bewusstseins und der Trägheit zu stellen, durch die Entscheidungen über Infrastrukturinvestitionen auf die lange Bank geschoben werden.
„Im Wasserbereich ändern sich die Dinge nur langsam“, sagt Guiderdoni. „Wir bringen neue Technologien in ein eher konservatives Umfeld. Allerdings gibt es derzeit einen Trend des Umbruchs und des Wandels. Früher hätte ein Wasserversorger vielleicht gesagt: ‚Nun, es wird immer einen gewissen Wasserverlust geben. Wenn es ein Problem gibt, erhöhen wir einfach den Preis.‘ Doch jetzt stellen sie fest, dass der Preis eine Schwelle erreicht hat – er ist jetzt deutlich höher. Also fangen sie an, in Richtung Leistung zu steuern.“
– Jean-François Guiderdoni, Managing Director, ACWA Robotics
Auch der Druck, umweltbewusster zu handeln, nimmt zu. Laut dem Bericht State of Design & Make werden vier von fünf Unternehmen durch die Nachfrage von Beteiligten zur Einführung von Nachhaltigkeitsmaßnahmen motiviert (Englisch). „Es gibt viele Quellen, die Druck ausüben, um mehr Nachhaltigkeit zu fördern: Medien, Unternehmen, neue Vorschriften und Anreize von der Europäischen Kommission oder den Regierungen“, so Guiderdoni. „Sowohl Regierungen als auch Unternehmen erkennen, dass Nachhaltigkeit ein enormes wirtschaftliches Potenzial besitzt. Sie schafft einen echten Mehrwert und erzeugt letztlich einen positiven Kreislauf.“
Wasserversorger müssen sich mit einer steigenden Nachfrage auseinandersetzen, die durch den Klimawandel noch verschärft wird. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Wert der vorhandenen Ressourcen zu maximieren – ein Kernprinzip der Nachhaltigkeit. Guiderdoni merkt an, dass die jüngsten Umbrüche in der Branche zu einer Welle neuer Technologien geführt haben, mit denen Lecks in Wasserleitungen auf intelligente und präzise Art und Weise lokalisiert werden können. „Die nächste Phase wird von der Anlagenverwaltung getrieben werden. Das bedeutet, zu handeln, bevor Rohre brechen“, fährt er fort. „Die Menschen werden sich jetzt bewusst, dass wir die Probleme in Bezug auf Wasser und insbesondere seine Verteilungsinfrastruktur schnell in den Griff bekommen müssen. Ich freue mich, etwas zu bewirken und zeigen zu können, dass wir in der Lage sein werden, Versorgungsunternehmen in den kommenden Jahren bei Veränderungen zu unterstützen.“
Mark de Wolf ist freier Journalist und preisgekrönter Texter, der sich auf Technologie-Themen spezialisiert hat. Er wurde im kanadischen Toronto geboren, beschreibt sich selbst als „Made in London“ und lebt heute in Zürich. Sie erreichen ihn online unter markdewolf.com.
