Mess- und Prüftechnik 19.05.2006, 19:22 Uhr

Drohnen für die Wissenschaft  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 19. 5. 06, swe – Unbemannte Luftfahrzeuge, im Fachjargon kurz UAV (unmanned aerial vehicle) genannt, rücken zunehmend in das Interesse der Wissenschaft, vor allem der Geo- und Umweltforschung. Bisher galten Drohnen als Domäne des Militärs. Doch die Vorteile der UAV erschließen sich auch zivilen Nutzern. Dirty, dull, dangerous – also dreckig, dumpf und gefährlich – darf es zugehen, wenn sich die UAV in die Lüfte schwingen. Als „dull“ gelten dabei sehr lange, monotone Überwachungsflüge.

Ungewöhnliche Flugbewegung gab es im März über den Malediven: 18 Mal starteten drei kleine Propellerflugzeuge von der Insel Hanimaadhoo, um im gestaffelten Formationsflug die nächsten Wolken anzusteuern. Ein Flugzeug flog knapp unterhalb der Wolkenbasis, ein zweites mitten durch die Wolken hindurch, das dritte knapp über sie hinweg. An Bord hatten alle Maschinen die gleichen Messinstrumente, um Größe und Zahl der Wolkenwassertropfen, die Stärke der solaren Einstrahlung und die Menge an Aerosolen zu bestimmen. Eins fehlte allen drei Flugzeugen allerdings: ein Pilot.

Der US-Atmosphärenforscher Veerabhadran Ramanathan von der University of California, San Diego, der den Einsatz der Flugroboter leitete, war begeistert. Zwar wird es noch Monate dauern, bis er die Messergebnisse ausgewertet hat, doch im Vordergrund steht für ihn der Beweis, dass die neue Messmethode überhaupt funktioniert.

„Ich halte ich es für möglich, dass bereits in fünf Jahren hunderte kleiner unbemannter Flugzeuge regelmäßig über die Ozeane fliegen werden, um den Einfluss des Menschen auf die Atmosphäre genauer zu erfassen“, sagt er. Unbemannte Luftfahrzeuge, kurz UAV (unmanned aerial vehicle) genannt, können selbst unter Bedingungen fliegen, die man aus Sicherheits- und Kostengründen keinem Flugzeug mit Pilot zumuten würde.

Vor allem Forscher aus den USA setzen bisher die Roboterflieger ein: Im Oktober 2004 nutzten Wissenschaftler des US Geological Survey (USGS) die Forschungsdrohne „Silver Fox“. Sie ließen sie mitten durch die Aschewolken des Vulkans Mount St. Helens fliegen und untersuchten so den Krater mit einer Wärmebildkamera auf mögliche Lava-Ausbrüche hin.

Im September 2005 ließen Hurrikanforscher der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ein UAV des australischen Herstellers Aerosonde zehn Stunden lang im Tiefflug den Wirbelsturm Ophelia durchkreuzen, der vor der Küste des US-Staates Virginia tobte. So konnten sie erstmals meteorologische Daten aus den extrem turbulenten unteren Luftschichten eines Hurrikans sammeln.

Die meisten Forschungsdrohnen haben Spannweiten bis zu 3 m. Von Hobby-Modellflugzeugen unterscheiden sie sich vor allem durch ihre Steuerung: ein Autopilotsystem. „Vor einigen Jahren konnte man sich den autonomen Flug so kleiner Flugzeuge noch gar nicht vorstellen“, sagt Thomas Kordes, Geschäftsführer der Mavionics GmbH. Das Unternehmen, ein Spin-off des Instituts für Luft und Raumfahrtsysteme (ILR) der TU Braunschweig, vermarktet Autopilotsysteme für UAV.

Die am ILR entwickelte Flugelektronik ist nur noch so groß wie eine Zigarettenschachtel. Drin stecken ein GPS-Empfänger, eine Lageregelung mit Gyroskop und ein Kleincomputer, der die Einhaltung der Flugroute überwacht. Über Funk kann der Kurs bei Bedarf jederzeit neu festgelegt werden.

Wie gut das System funktioniert, demonstrierten ILR-Mitarbeiter im vergangenen April in Ecuador. Der mit Kameras ausgestattete Motorsegler Carolo P 330 mit 3,30 m Spannweite flog bis in die Krater der aktiven Vulkane Cotopaxi und Reventador und lieferte von dort Bilder frischer Lavaströme.

„Bisher müssen ecuadorianische Geowissenschaftler Cessna-Kleinflugzeuge oder Hubschrauber mitsamt Pilot für solche Kontrollflüge anmieten. Für die regelmäßige Überwachung der Vulkane ist das aber zu teuer“, sagt Marco Buschmann, Luft- und Raumfahrtingenieur am ILR. Die 20 000 € teure Carolo-Drohne würde sich im Vergleich dazu schon nach zehn Flügen amortisieren. Entsprechend groß sei das Interesse der Wissenschaftler am Institut für Geophysik in Quito, künftig mehrere Carolos in Ecuador zu stationieren.

Für den Einsatz der Forschungsdrohnen in Deutschland arbeitet das ILR an einem Konzept, wie große Waldflächen kostengünstig mit UAV beflogen werden können. Die Luftbilder sollen helfen, anhand der Nadelverfärbung einzelner Bäume einen Borkenkäferbefall frühzeitig zu lokalisieren. Die Landesforstverwaltung Thüringen ist bereit, das System zu testen.

Vor dem Breiteneinsatz der UAV muss jedoch ein rechtliches Problem gelöst werden: Wie lässt sich verhindern, dass die Flugroboter ungewollt zum Sicherheitsrisiko für die bemannte Fliegerei werden? In den internationalen Regelungen zur Luftsicherheit sind autonome UAV bisher nicht vorgesehen.

„Alle UAV-Flüge finden in einem gesetzlichen Graubereich statt“, sagt Mavionics-Sprecher Kordes. Die zuständigen Behörden, die Europäische Luftsicherheitsagentur EASA und ihr US-Pendant FAA, haben den Handlungsbedarf erkannt. Sie richteten eine neue Abteilungen ein, um die Sicherheitsbedingungen für zivile Drohnen abzuklären. Die FAA rechnet mit einem Abstimmungsprozess über mindestens fünf Jahre.

Der Atmosphärenforscher Rama- nathan plant, seine Messkampagne mit einer Sondergenehmigung der FAA ab Dezember im größeren Stil fortzusetzen. Ein Jahr lang sollen drei autonome UAV alle zehn Tage vom kalifornischen San Diego aus quer über den Pazifik bis nach Hawaii und retour fliegen. Ramanathan: „Die Drohnen werden uns hoffentlich genügend Daten liefern, damit wir endlich robuste statistische Analysen über den Einfluss der Wolkenphysik auf das Klima bekommen.“

LUCIAN HAAS

Der Autopilot in der Zigarettenschachtel

Von Lucian Haas
Von Lucian Haas

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