Laut wie ein Hornissenschwarm Smarte Drohnen im Test

Drohnen mit smarten Sensoren können heute bei Gaslecks, Bränden und anderen Gefahrensituationen wertvolle Informationen liefern. Die BAM forscht an der Spitze der rasch wachsenden Zukunftstechnologie. Nun sollen Testszenarien für die Entwicklung von Drohnen und Sensortechnik angeboten werden.

Methangas strömt aus einem Leck in einer Rohrleitung: eine tückische, unsichtbare Gefahr. Ein einziger Funken könnte das Gemisch entzünden und eine Stichflamme oder sogar eine Explosion auslösen. Unverantwortlich wäre es, Einsatzpersonal mit Messgeräten direkt zu der schadhaften Stelle zu schicken.

Ein Summen unterbricht plötzlich die Stille in den Kiefernwäldern Brandenburgs. Das Geräusch schwillt an zum Tosen eines Hornissenschwarms: eine Drohne – aber nur eine einzige, mit schwarzem Rumpf und mit acht abgespreizten Armen, auf denen Rotoren wirbeln. Das Gerät schwebt wie ein Rieseninsekt heran und bleibt etwa 20 Meter über der Leckage in der Luft stehen. Ein Sensor am Bauch des Flugobjekts bestimmt die Gaskonzentration über der undichten Stelle per Fernmessung und funkt die Daten zu einem Rechner in sicherer Entfernung.

Ein ganz neues Forschungsfeld

Unweit davon steht Patrick Neumann, der Drohnenbeauftragte der BAM. Er steuert das summende Flugobjekt. Eine wirkliche Gefahr für Leib und Leben besteht diesmal nicht. Denn Neumann und seine Kollegen haben die Leckage auf dem Testgelände der BAM im brandenburgischen Horstwalde, 50 Kilometer südlich von Berlin, nur simuliert. Mit einem Knopfdruck stoppen sie den Gasaustritt an der Rohrleitung. Es ist nur eines der vielen Risikoszenarien, die sie auf dem weitläufigen Gelände durchspielen können.

Vor elf Jahren ist der Informatiker an die BAM gekommen. Damals forschte Neumann an Sensornetzwerken. Zu dieser Zeit wurden fahrbare Roboter mit Fühlern bestückt, um etwa Gas aufzuspüren. Doch die kleinen Gefährte waren in ihren Einsatzmöglichkeiten beschränkt; auf unebenem Terrain blieben sie rasch stecken. Mit den neuen Drohnen, die damals auf den Markt kamen, eröffnete sich für den Wissenschaftler ein ganz neues Feld. „Drohnen sind äußerst flexibel einsetzbar. Und es macht Spaß, sie zu fliegen, weil sie so einfach in der Handhabung sind“, schwärmt er. Neumann begann, die Unmanned Aircraft Systems, kurz UAS, mit einem Gassensor auszurüsten.

Von der Schwierigkeit, eine Gaswolke zu vermessen

Allerdings zeigte sich gleich, dass Drohnen, so beweglich sie in der Luft sind, auch einen entscheidenden Nachteil mit sich bringen: Ihre Rotoren erzeugen Abwinde und Turbulenzen – sie verdünnen und verfälschen damit ausgerechnet jene flüchtige Substanz, die der smarte Sensor an ihrem Rumpf bestimmen soll. Die Daten waren zwar oftmals noch hinreichend genau, um eine Leckage an einer Pipeline oder gefährliche Emissionen über einer Mülldeponie oder einem Gasspeicher zu lokalisieren, aber nicht ganz befriedigend. 2015 kombinierte das Team die Drohnen erstmals mit Sensoren, die es überflüssig machen, direkt in eine Gaswolke hineinzufliegen. Das Gerät sendet einen Laserstrahl aus; wird das Signal vom Boden reflektiert, errechnet der Sensor, wie viele Gasmoleküle auf dem Hin- und Rückweg liegen. Er kann auf eine Entfernung von bis zu 30 Metern eingesetzt werden; somit beeinflusst der Rotorabwind die Messungen nicht mehr.

Die Auswertung der Daten ist allerdings immer noch diffizil genug. Patrick Neumann und seine Kollegen haben dazu spezielle Algorithmen entwickelt: Sie kombinieren mehrere Messungen des Lasers und erstellen dann mithilfe der Computertomografie eine dreidimensionale Karte der Gasverteilung um ein Leck. Das Laser-Verfahren ist deutlich schneller als eine punktuelle Messung und erlaubt es ihnen, auch die Quelle des Austritts zu bestimmen. Auf dem Gebiet der Aerial Robot Olfaction, der Messung von Gasverteilungen und der Verortung von Leckagen mit UAS, nimmt das Team der BAM momentan international eine führende Rolle ein.

Testfeld für die Zukunft

Doch dies ist erst der Anfang. Denn bestückt man Drohnen mit smarten Sensoren, so ergeben sich vielfältige neue Anwendungsmöglichkeiten: Sie können große Bauwerke exakt aus der Luft vermessen, Risse an Autobahnbrücken entdecken, mit Infrarotkameras Wärmebilder von unübersichtlichen Waldbränden liefern, bei Hochwasser oder Erdbeben zum Einsatz kommen, Windkraftanlagen, Gleisstrecken und Atommeiler aus der Luft überwachen. UAS, die ein schützender Käfig umgibt, können sogar in Minen, Tunnel oder große Schornsteine eintauchen – eine Wandberührung bringt sie nicht zum Absturz. Eines Tages vermögen Drohnen vielleicht sogar Sprengstoffreste im Boden zu entdecken.

„Es ist ein Forschungsgebiet, das gerade rasant Fahrt aufnimmt – und ein Milliardenmarkt dazu“, erläutert Patrick Neumann. „Inzwischen sind die UAS auch für Behörden, Polizei, Feuerwehr und andere Einsatzkräfte erschwinglich geworden. Ein von der EU-Kommission geschaffener Verbund europäischer Flugsicherheitsorganisationen schätzt, dass sie im Jahr 2050 allein auf dem Kontinent 400.000 Drohnen nutzen werden, momentan sind es lediglich 10.000.“

Auf dem Gelände der BAM in Horstwalde lassen sich schon jetzt einige dieser Gefahrenlagen durchspielen. Neumann und seine Kollegen wollen dort künftig für kommerzielle Drohnen- und Sensorentwickler vielfältige Testszenarien anbieten. Die Bedingungen vor Ort sind ideal; auf dem abgeschiedenen Areal dürfen Drohnen nach behördlicher Genehmigung höher aufsteigen als andernorts. Und die BAM erfüllt somit ihren sicherheitstechnischen Kernauftrag auch im 21. Jahrhundert.

Vielleicht wird man also im brandenburgischen Horstwalde künftig häufiger das vermeintliche Tosen eines Hornissenschwarms hören und beim Blick in den Himmel nur eine smarte Drohne im Einsatz entdecken.