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Drohnen für die Forschung

Wie ferngesteuerte Fluggeräte Bereiche der wissenschaftlichen Arbeit verändern

© Schirra/Giraldi
by Giovanni Blandino

Sie überwachen Naturgefahren, kommen in der Bergrettung zum Einsatz und auch in der Land- und Forstwirtschaft – Drohnen sind wertvolle Verbündete für die Forschenden, aber auch für Fachleute und Verwaltungen. Sie können detailliertere Daten erfassen als Satelliten und aufwändige manuelle Messungen ersetzen. Um sie noch besser nutzen zu können, wurden die ferngesteuerten Fluggeräte in den vergangenen Jahren in den unterschiedlichsten Situationen getestet, der jüngste Test fand in 9.000 Metern Höhe statt.

Es war ein besonderer Test, der kürzlich im Large Cube des terraXcube stattfand, dem größten Testbereich in unserem Zentrum für Extremklimasimulation: Zwei große Drohnen – beladen mit schweren Geräten – wurden im Inneren der Simulationskammer geflogen.

Beeindruckend war nicht nur die Geschicklichkeit der Piloten beim Manövrieren der Drohnen in einem geschlossenen Raum: Die Kammer war künstlich auf eine Höhe von fast 9.000 Metern über dem Meeresspiegel gebracht worden, also über die höchsten Gipfel der Erde. Zum ersten Mal wurde der freie Flug einer Drohne in dieser simulierten Höhe im TerraXcube getestet.

Je höher es geht, desto dünner wird die Luft und desto geringer ist die Schubkraft der Drohne. Es ist daher notwendig, die Leistungsfähigkeit der Motoren zu testen, insbesondere, wenn die Drohnen mit Ausrüstungen beladen sind, die in diesem Fall bis zu vier Kilogramm schwer waren.

Erste Tests mit frei fliegenden Drohnen im Inneren des Large Cubes im terraXcube. Die Drohnen flogen bis zu einer Höhe von 9.000 Metern.© MAVTech | BF Visuals

Die Tests, die im terraXcube stattfanden, dienten dem Drohnenhersteller Mavtech mit Sitz im NOI Techpark in Bozen dazu, die Leistungsfähigkeit von zwei neuen Modellen für den Einsatz im Gebirge zu untersuchen. Die alpine Umgebung ist in der Tat komplex, nicht nur wegen der dünnen Luft, sondern vor allem wegen des extremen Klimas und der häufigen Unwetter. Die Drohnen, die im terraXcube getestet wurden, werden in Zukunft auch in den Bergen eingesetzt, zum Beispiel bei der Überwachung von Erdrutschen.

Naturgefahren von oben überwachen

In Corvara untersucht ein Forschungsteam des Instituts für Erdbeobachtung seit mehr als zehn Jahren die Entwicklung eines Erdrutsches, der sich langsam aber stetig bewegt. Dabei kommen drei hochpräzise Messstationen, Bodenmessungen und Satelliten zum Einsatz. Im Laufe der Jahre konnten sie durch das gleichzeitige Anwenden der verschiedenen Überwachungssysteme viele Informationen über den Erdrutsch gewinnen. Vor allem aber konnten die verschiedenen Überwachungs- und Datenerfassungsmethoden verglichen und ihre Vorteile und Grenzen aufgezeigt werden.

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Einsatz verschiedener Methoden zur Überwachung von Erdrutschen: Das Lemonade-Projekt

Aus diesem Grund wird in Corvara im Rahmen des Blueslemon-Projekts eine neue Methode zum Erfassen von Erdrutschdaten erprobt, bei der Drohnen zum Einsatz kommen. In Zukunft kann sie in größerem Maßstab eingesetzt werden, um instabiles Gelände zu überwachen.

Drohnen auf der Suche nach Beacon

Die Idee ist, dass Drohnen, die den Erdrutsch überfliegen, „überprüfen“, ob sich bestimmte Punkte auf dem Boden bewegt haben oder nicht. Dazu werden „Beacon“ verwendet, das sind kleinste Geräte, die mit einem sehr geringen Energieaufwand ein Signal an ein optisches Gerät senden können, das in einer bestimmten Entfernung vorbeifliegt.

Das optische Lesegerät ist in diesem Fall an der Drohne angebracht, die beim Überfliegen des Erdrutsches die Beacon „liest“ und mit Hilfe des GPS-Ortungssystems ihre genaue Position bestimmt. Bei weiteren Flügen in Abständen von Tagen, Wochen oder Monaten verfolgt die Drohne die Position aller Beacon erneut und berechnet so, ob und um wie viel sie sich bewegt haben. Auf diese Weise beobachtet das Forschungsteam die Bewegung des Erdrutsches.

"Es gibt viele Bereiche, in denen Drohnen helfen können, nützliche Daten zu sammeln. Alles hängt von den Instrumenten ab, die sie tragen”

Abraham Mejia Aguilar, ein Experte für Monitoring vom Center for Sensing Solutions von Eurac Research.

Eine ähnliche Strategie der Datenerfassung – wiederum mithilfe von Drohnen – wurde von den Forschungsteams von Eurac Research auch in einer ganz anderen Situation getestet: am Lazaun-Blockgletscher. Gletscher dieses Typs bestehen aus einer mit Eis vermischten Masse von Gesteinsschutt; sie weisen auf Permafrost in diesen Gebieten hin. Diese Gletscher bewegen sich einige Meter pro Jahr, das Auftauen des Permafrosts könnte jedoch die Situation verändern.

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Abraham Mejia-Aguilar beschäftigt sich mit der Überwachung von Wasserressourcen mit Hilfe von Drohnen im Rahmen des Projekts ACR Water. Abraham Mejia-Aguilar absolvierte seine Ausbildung zum Elektroingenieur am Istituto Politecnico Nazionale. Nach seiner Promotion an der Universitat Politecnica de Catalunya kam er 2014 zum Forschungszentrum Eurac Research. Hier untersucht er die Kombination verschiedener Monitoring-Sensoren und -methoden.© Eurac Research
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Abraham Mejia-Aguilar beschäftigt sich mit der Überwachung von Wasserressourcen mit Hilfe von Drohnen im Rahmen des Projekts ACR Water. Abraham Mejia-Aguilar absolvierte seine Ausbildung zum Elektroingenieur am Istituto Politecnico Nazionale. Nach seiner Promotion an der Universitat Politecnica de Catalunya kam er 2014 zum Forschungszentrum Eurac Research. Hier untersucht er die Kombination verschiedener Monitoring-Sensoren und -methoden.© Eurac Research
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Abraham Mejia-Aguilar beschäftigt sich mit der Überwachung von Wasserressourcen mit Hilfe von Drohnen im Rahmen des Projekts ACR Water. Abraham Mejia-Aguilar absolvierte seine Ausbildung zum Elektroingenieur am Istituto Politecnico Nazionale. Nach seiner Promotion an der Universitat Politecnica de Catalunya kam er 2014 zum Forschungszentrum Eurac Research. Hier untersucht er die Kombination verschiedener Monitoring-Sensoren und -methoden.© Eurac Research
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Abraham Mejia-Aguilar beschäftigt sich mit der Überwachung von Wasserressourcen mit Hilfe von Drohnen im Rahmen des Projekts ACR Water. Abraham Mejia-Aguilar absolvierte seine Ausbildung zum Elektroingenieur am Istituto Politecnico Nazionale. Nach seiner Promotion an der Universitat Politecnica de Catalunya kam er 2014 zum Forschungszentrum Eurac Research. Hier untersucht er die Kombination verschiedener Monitoring-Sensoren und -methoden.© Eurac Research

Am Lazauner Blockgletscher im Schnalstal nutzen die Forscherinnen und Forscher eine Kombination aus neuesten Satellitenbildern und anderen Messmethoden, darunter auch Drohnen.

In Corvara wurde der Einsatz von Drohnen auch auf andere Weise erprobt: Die Drohnen wurden nicht auf die Suche nach Beacon geschickt, sondern nach sichtbaren, reflektierenden Objekten – so genannten Corner reflectors -, die mit einer Kamera erfasst werden können.

„Das Prinzip dahinter ist dasselbe: Die Drohne erkennt das Objekt und bestimmt über ihr GPS-System seine genaue Position. Nur ist es in diesem Fall eine optische Kamera, die das Gelände abtastet. Wenn sie das reflektierende Objekt findet, zeichnet sie seine Position auf“, erklärt Abraham Mejia Aguilar, ein Experte für multiskalares Monitoring vom Center for Sensing Solutions von Eurac Research.

Die vielen Möglichkeiten, wie Drohnen die wissenschaftliche Forschung unterstützen können (und nicht nur diese)

In diesen Testgebieten versucht man zu verstehen, welche Arten der Überwachung am effektivsten sind und welche kombiniert werden könnten. Die drohnengestützte Überwachung erweist sich dabei als eine der vielversprechendsten Überwachungsarten. „Der Einsatz von Drohnen könnte – zumindest teilweise – die manuellen Messungen ersetzen, die von den zuständigen Ämtern durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um recht aufwändige Messungen“, erklärt Roberto Monsorno, Leiter des Center for Sensing Solutions von Eurac Research. „In Südtirol zum Beispiel müssen sich die Expertinnen und Experten des Amtes für Geologie an den betreffenden Wänden abseilen, um mögliche Gefahren zu erfassen.“ Ein Teil dieser Datenerfassung könnte stattdessen von Drohnen durchgeführt werden, die im automatischen Flug die Bewegung von auf den Felsen positionierten Beacon erfassen.

“Die von Drohnen aufgenommenen Bilder haben im Vergleich zu Satellitenbildern einen besonderen Vorteil: Sie sind viel genauer und detaillierter.”

Roberto Monsorno, head of the Eurac Research's Center for Sensing Solutions

Die Überwachung von Landflächen und der Schutz vor Naturkatastrophen sind jedoch nur zwei der Bereiche, in denen der Einsatz von ferngesteuerten Flugzeugen in den vergangenen zehn Jahren erprobt wurde. „Es hängt alles von den verwendeten Instrumenten ab“, erklärt Abraham Mejia Aguilar, „durch die Kombination von Spezialkameras und spektroskopischer Analyse werden Drohnen beispielsweise zu wertvollen Instrumenten, um zu verstehen, ob ein Wald oder eine Apfelplantage gesund sind.“ Anhand der von den Drohnen aufgenommenen Bilder lässt sich mit Hilfe der Spektroskopie beurteilen, ob eine Pflanze gesund oder krank ist.Diese Daten können dann stichprobenartig durch Messungen am Boden bestätigt werden.

„Die von Drohnen aufgenommenen Bilder haben im Vergleich zu Satellitenbildern einen besonderen Vorteil: Sie sind viel genauer und detaillierter und können bis auf die Ebene der einzelnen Pflanze aufnehmen.“ In den vergangenen Jahren haben Drohnen daher dazu beigetragen, nützliche Daten zu sammeln, um das Vorhandensein von Pilzen und Bakterien in den Obstanlagen in Südtirol zu untersuchen, die Auswirkungen des Prozessionsspinners auf die Wälder zu bewerten und die Ausbreitung des Besenwuchses zu beobachten, einer der wichtigsten Krankheiten im Apfelanbau. Künftig könnte es dazu dienen, die Ausbreitung des Borkenkäfers – des Schädlings, der Fichten befällt und sich in den vom Sturm Vaia betroffenen Gebieten ausbreitet – zu beurteilen, bevor die Schäden mit bloßem Auge sichtbar sind. Aber nicht nur das.

The future of drones

Die beiden großen Drohnen, die kürzlich im terraXcube getestet wurden, könnten auch in einem ganz anderen Bereich eingesetzt werden: in der Bergrettung. Eurac Research hat auch dazu schon geforscht. Im Jahr 2021 testeten Eurac Research und die Bergrettung Südtirol im Rahmen des Projekts Start den Einsatz von Drohnen für Notfalleinsätze in der Bletterbachschlucht. Ziel war es, herauszufinden, ob Drohnen beim Auffinden und bei der Erstversorgung von Verletzten an schwer zugänglichen Stellen helfen können.

In diesem Fall wurde die Drohne mit einer optischen Ausrüstung – einer Kamera und einer Wärmebildkamera – sowie einem Sender ausgestattet, mit dem das Handy des Unfallopfers geortet werden kann. Sobald die vermisste Person geortet wird, setzt die Drohne auch ein Erste-Hilfe-Kit auf dem Boden ab.

Einer der ersten Tests mit Drohnen für Notfalleinsätze. Der Test fand 2021 im Rahmen des Projekts Start in der Bletterbachschlucht statt. © Eurac Research

In der tiefen Schlucht des Bletterbachs überprüften die Forschungsteams aber auch einen anderen wichtigen Aspekt: die Übertragung der Daten von der Drohne an das Rettungsteam am Boden. Die Daten wurden nämlich über das LoRaWAN-Protokoll an den Piloten übermittelt, eine Technologie, mit der man mit wenig Energie über große Entfernungen übertragen kann.

„Gerade bei der Datenübertragung erwarten wir in den nächsten Jahren dank der Forschung und des technologischen Fortschritts die deutlichsten Verbesserungen“, erklärt Roberto Monsorno. „Im Bereich der Bergrettung müssen die Drohnen mit möglichst wenig Energie auskommen und gleichzeitig in der Lage sein, eine große Menge an lebenswichtigen Daten in Echtzeit – oder fast in Echtzeit – zu übertragen.“

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Im Bereich der Rettungsdrohnen wird die Herausforderung der nächsten Jahre mehrere Aspekte betreffen. Einerseits wird an der Verbesserung der Leistung gearbeitet, d.h. die Drohnen sollen länger in Betrieb bleiben und dabei weniger Energie verbrauchen als heute. Andererseits wird an besseren Ortungssystemen und größerer Entscheidungsautonomie gearbeitet: Drohnen sollten in der Lage sein, selbst zu entscheiden, wann der richtige Zeitpunkt ist, um Informationen zu senden, wenn sie auf Opfer, Anomalien oder riskante Situationen stoßen.

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